CN105785571A - 利用同轴眼睛成像的近眼显示装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用同轴眼睛成像的近眼显示装置，供装设在一使用者的一眼睛的视野中，其包含一用以显示一显示影像的显示单元；一观看单元，用于：(i)基于接收自所述显示单元的偏振可见光而对眼睛呈现所述显示影像，与(ii)将来自一周围场景的环境光传送向所述眼睛；以及一眼睛成像单元，包含：(a)一用以产生红外光的照明模块，(b)一第一偏振光束分光器界面，其设置于所述显示单元与所述观看单元之间，用于：(i)将所述红外光的一偏振红外光分量与所述偏振可见光合并，与(ii)将所述偏振可见光与经所述眼睛反射的偏振红外光分量的一部分分离，及(c)一摄影机，用以基于经眼睛反射的偏振红外光分量形成所述眼睛的一影像。

Description

利用同轴眼睛成像的近眼显示装置及方法
技术领域
[相关申请案]
本申请案是2015年7月8日申请、主张2014年9月30日申请的中国专利申请案第201410522328.X号的优先权、的美国专利申请案第14/794,725号的部分接续案。上述文献的全文皆以引用方式并入本文中。
背景技术
头戴式显示器系统安装于一使用者的头部并允许使用者观看显示器或其的一影像。通常，此显示器作为一种与一计算机方便设置的界面，此计算机可包括在头戴式显示器系统中。举例而言，一头戴式显示器系统可为一飞机驾驶员提供地图及其它关于驾驶员所观看到的实际场景的信息。某些头戴式显示器系统允许使用者在观看一实际场景的同时观看一显示影像。透视头戴式显示器系统将一显示影像叠积在一使用者所观看到的实际场景上。微光学制造上的最近的进展已导致目标针对消费市场的透视头戴式显示器系统的开发，于此显示器系统可提供类似于一智能型手机的功能。举例而言，美国专利申请公开号US2013/0021658讨论的一种透视头戴式显示器系统。
发明内容
在一实施例中，其提供一种支持同轴眼睛成像且用于装设在一使用者的一眼睛的视野中的近眼显示装置。此近眼显示装置包含一用以显示一显示影像的显示单元；一观看单元，用于：(i)基于接收自所述显示单元的偏振可见光而对所述眼睛呈现所述显示影像，及(ii)将来自一周围场景的环境光传送向所述眼睛；以及一用以形成所述眼睛的一影像的眼睛成像单元。所述眼睛成像单元包含：(a)一用以产生红外光的照明模块；(b)一设置于所述显示单元与所述观看单元之间的第一偏振光束分光器界面，用于：(i)将所述红外光的一偏振红外光分量与所述偏振可见光合并，及(ii)将所述偏振可见光与所述经眼睛反射的偏振红外光分量的一部分分离；以及(c)一摄影机，用以基于经眼睛反射的所述部分偏振红外光分量而形成所述眼睛的影像。
在一实施例中，其提供一种用以在一近眼显示装置执行同轴眼睛成像的方法，所述近眼显示装置供装设在一使用者的一眼睛的视野中，所述方法包含使用一第一偏振光束分光器界面将偏振红外光与来自一显示器的偏振可见显示光合并。所述方法进一步包含使用一第二偏振光束分光器界面将所述偏振红外光与所述偏振可见光叠加在来自一周围场景的环境光上，用于：(a)以所述偏振红外光照射所述眼睛，(b)对所述眼睛呈现所述显示器的一影像，及(c)使所述眼睛可观看所述周围场景。此外，所述方法包含基于经眼睛反射的偏振红外光的一部分，通过所述第二偏振光束分光器界面及所述第一偏振光束分光器界面而对所述眼睛进行成像。
附图说明
本发明上述及其它特征与优点将从如显示于附图中的实施例的更多特定说明而可清楚理解，其中在不同图式中相同的参考符号表示相同的部件。图式未必按比例绘制，反而是将重点放在说明本发明的原理上。
图1显示依据一实施例的一利用同轴眼睛成像的近眼显示系统。
图2为依据一实施例更详细说明图1的近眼显示装置的方块图。
图3为依据一实施例说明另一利用同轴眼睛成像的近眼显示装置的方块图。
图4为依据一实施例说明一利用同轴眼睛成像并基于偏振的近眼显示装置的方块图。
图5A、5B及5C显示依据一实施例的另一利用同轴眼睛成像并基于偏振的近眼显示装置。
图6显示依据一实施例的一利用同轴眼睛成像并基于偏振的近眼显示装置，其中一眼睛成像单元是连接一光束分光器立方体，且在一连接另一光束分光器立方体的组件中实施一可见光源。
图7显示依据一实施例的一利用同轴眼睛成像并基于偏振的近眼显示装置，其包含一实施一偏振光束分光器界面的光信道。
图8显示依据一实施例的另一利用同轴眼睛成像并基于偏振的近眼显示装置。
图9显示依据一实施例的一利用同轴眼睛成像并基于偏振的近眼显示装置，其包含锥形光通道。
图10显示依据一实施例的又一利用同轴眼睛成像的近眼显示装置。
图11显示依据一实施例的一在近眼显示装置中执行同轴眼睛成像的方法。
图12显示依据一实施例的一用以通过近眼显示装置将经由眼睛反射的红外光导引向摄影机的方法。
图13显示依据一实施例的一用以照明一显示器及产生相关显示光的方法。
图14显示依据一实施例的一用以在近眼显示装置中执行同轴眼睛成像的基于偏振的方法。
图15显示依据一实施例的一用以通过近眼显示装置将偏振红外光导引向眼睛以照射所述眼睛的方法。
图16显示依据一实施例的一用以通过近眼显示装置将偏振可见显示光导引向眼睛以对所述眼睛呈现一显示影像的方法。
图17以图解显示依据一实施例的一利用同轴眼睛成像且含有二个光束分光器的头戴式显示装置。
图18以图解显示依据一实施例的一利用同轴眼睛成像且含有二个光束分光器与一反射器的头戴式显示装置。
图19以图解显示依据一实施例的一利用同轴眼睛成像且含有三个光束分光器的头戴式显示装置。
图20以图解显示依据一实施例的一利用同轴眼睛成像且含有三个光束分光器与一反射器的头戴式显示装置。
图21以图解显示依据一实施例的一利用同轴眼睛成像且含有一背照式显示器与二个光束分光器的头戴式显示装置。
图22以图解显示依据一实施例的一利用同轴眼睛成像且含有一背照式显示器、二个光束分光器及一反射器的头戴式显示装置。
具体实施方式
图1显示一例示性利用同轴眼睛成像的近眼显示装置100。显示装置100是实施于一经配置以将显示装置100邻近一使用者眼睛设置的近眼显示系统102中。于图1所示的实例中，近眼显示系统102安装于使用者所配戴的眼镜框架104。或者，近眼显示系统102是安装于使用者所配戴的安全帽、使用者的头部或肩部，或其它方式置放，以使近眼显示装置100位在使用者的一眼睛的视野中。近眼显示装置100是一透视显示装置，其将一显示影像叠加在使用者观看到的周围场景中。
显示装置100能够对眼睛190进行成像。在一例示性使用情况中，显示装置100对眼睛190进行成像以追踪眼睛190的移动。在这种情况下，显示装置100可基于眼睛190的移动而显示不同的显示影像，让使用者可通过眼睛190的移动而控制显示装置100。在另一例示性使用情况中，显示装置100捕获眼睛190的影像，其包含眼睛190的虹膜。显示装置100可利用此类眼睛190虹膜影像以用于使用者的生物特征识别，(例如)确保使用者是经授权使用显示装置100。或者，或与其结合，显示装置100可利用眼睛190虹膜影像而评估使用者的某一健康相关参数，诸如血糖、血液中的酒精及/或血压。
图2为更详细说明近眼显示装置100的方块图。显示装置100包含一显示单元210、一眼睛成像单元220、一光束分光器界面230及一观看单元240。显示装置100实施眼睛成像单元220，使得与眼睛190成像相关的光以及用来对眼睛190呈现一显示影像的显示光同轴传播。与现有技术中让眼睛190的照明及/或成像沿着一与对眼睛呈现显示影像的相关光路分离开的光路进行的系统中相比，此同轴传播简化了眼睛成像单元与眼睛190的对准。由于在显示装置100中进行同轴传播，来自显示单元210的显示光与眼睛190相对适当对准，自然确保眼睛成像单元220与眼睛190相对有适当对准。于某些实施例中，所有显示单元210、眼睛成像单元220、光束分光器界面230及观看单元240的位置彼此相对固定，让使用者仅需调整单一个实体装置(即显示装置100)的位置，以达到让(a)由显示单元210所供的显示影像及(b)由眼睛成像单元220所供的眼睛成像能力，均能适当对准。光束分光器230可进行偏振、不偏振或部分偏振。
显示单元210显示一影像并向光束分光器界面230放射出与此影像相关的可见显示光270。可见显示光270进一步由光束分光器界面230传播至观看单元240。观看单元240以向眼睛190呈现所述显示影像的方式将可见显示光270传播至眼睛190。观看单元240传送来自一周围场景290的环境光274，使得所述眼睛190可通过观看单元240观看周围场景290。因此，观看单元240将显示影像叠加在周围场景290上。
眼睛成像单元220包含一红外光(IR)照明模块222及一摄影机224。IR照明模块222(例如)在近红外光谱范围内放射出红外光272，诸如在约800nm(毫微米)至约1000nm的范围内。IR照明模块222可包含一或多个发光二极管以及(可选择的)其它光学组件，诸如一或多个透镜及/或光学滤光镜。摄影机224是经配置以对至少在一光谱范围内与红外光272光谱范围重叠的红外光进行成像。摄影机224可包含一红外光敏感型影像传感器及一成像物镜。摄影机224可进一步包含一光谱滤光镜，供过滤出不需要的光谱分量。于一实例中，摄影机224包含一供阻挡可见光的光谱滤光镜。
红外光照明模块222向光束分光器界面230放射出红外光272。光束分光器界面230将红外光272与可见显示光270合并，使得红外光272及可见显示光270同轴传播至观看单元240。观看单元240将红外光272及可见显示光270二者导引至眼睛190，使得红外光272、可见显示光270及环境光274由观看单元240同轴传播至眼睛190。眼睛190向后朝向观看单元240反射红外光272的至少一部分。此经反射的红外光276是与红外光272、可见显示光270及环境光274于眼睛190与观看单元240之间同轴传播(尽管其是以相反方向传播)，且进一步与红外光272及可见显示光270由观看单元240同步传播至光束分光器界面230(尽管其是以相反方向传播)。光束分光器界面230从可见显示光270分离出经反射的红外光276，并将经反射的红外光276导引至摄影机224。摄影机224基于经反射的红外光276而捕获眼睛190的影像。
在不偏离本发明范畴的情形下，部分的可见显示光270、红外光272、环境光274及/或经反射的红外光276可能在光束分光器界面230及观看单元240中的一或二者处损失，并以不同于图2所示方向的方向传播。
图3为说明一利用同轴眼睛成像的例示性近眼显示装置300的方块图。显示装置300为近眼显示装置100的一实施例。显示装置300将观看单元240实施为一包含一光束分光器界面340的观看单元320。光束分光器界面340将环境光274与可见显示光270及红外光272合并，以将可见显示光270、红外光272及环境光274全部导引至眼睛190。光束分光器界面340可进行偏振、不偏振或部分偏振。
在一实施例中，观看单元320进一步包含一成像物镜342，且光束分光器界面340是经配置以将可见显示光270导引向成像物镜342。成像物镜342将可见显示光270聚集并将可见显示光270重新导引回光束分光器界面340，光束分光器界面340随后将可见显示光270导引至眼睛190(如上关于图2所述)。在一实施例中，成像物镜342在离眼睛190一明显距离处形成一虚拟影像，且可选择地设置在显示装置300外部。此虚拟影像可形成于无限远处或一段距离眼睛190有限距离处。光束分光器界面340传送至少一部分来自周围场景290的光并传播至眼睛190。因此，光束分光器界面340提供透视功能给显示装置300。
在某些实施例中，观看单元320包含一红外光滤光镜344，用以于环境光274到达光束分光器界面340之前从环境光274移除红外光，藉以防止环境光274的此类红外光分量(至少在摄影机224所侦测的红外光谱范围内)到达摄影机224。因此，红外光滤光镜344消除或降低摄影机224所捕获眼睛190影像的背景噪声。红外光滤光镜344为(例如)一红外光镜。
可选择地，显示装置300以一光束分光器界面310、一显示器312及一可见光源314实施显示单元210。显示器312为(例如)一硅基液晶(LCOS)显示器。光束分光器界面310将来自可见光源314的可见照明光导引至显示器312以照明显示器312。显示器312使用所述可见照明光而显示一影像，且光束分光器界面310将可见显示光270导引向光束分光器界面230。在一实施例中，可见光源314包含以发光二极管(LED)为基础的光源，诸如一用以产生红、蓝及绿光的RGBLED模块。在此实施例中，显示器312及可见光源314可协同作用以提供一彩色显示器。
在一实施例中，显示装置300包含一光信道350，其连接光束分光器界面230及340，或替代地连接(例如，接合)二个分别实施光束分光器界面230及340的光学部件(例如，光束分光器立方体)。在此实施例中，可见显示光270、红外光272及经反射的红外光276是在光束分光器界面230(或诸如实施光束分光器界面230及340的光束分光器立方体的相关光学部件)及观看单元320之间传播。光通道350可以是一种能够传送一预期波长的光(诸如可见光及红外光)的固体材料。例如，光信道460可由玻璃或一光学塑料(诸如聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯或聚链烯烃)所构成。
尽管未显示于图3中，显示单元210可直接连接至光束分光器界面230(或一实施光束分光器界面230的光学部件)。例如，一实施光束分光器界面310的光束分光器立方体可接合至一实施光束分光器界面230的光束分光器立方体。同样地，眼睛成像单元220可连接(例如，接合)至光束分光器界面230、光信道350及/或显示单元210。因此，在一实施例中，显示单元210、眼睛成像单元220、光束分光器界面230、光信道350及观看单元320形成一机械整合模块。
可选择地，显示装置300包含一控制模块380。例如，控制模块380控制可见光源314、显示器312、红外光照明模块222及摄影机224中的一或多者。控制模块380可接收来自摄影机224的一或多个影像，以依据经摄影机224捕获的影像所提供关于眼睛190的信息而控制所述影像被显示单元210显示。显示装置300可进一步包含一经配置以通信方式利用一使用者及/或一外部计算机系统耦接控制模块380的界面385。界面385可包含一语音界面及/或一触控界面(诸如键盘或触控板)，用以接收来自使用者的指令。通过控制模块380，这类指令可影响形成在显示器312上的影像。或者，或与其结合，界面385可包含一声音界面，用以与使用者通信及/或接收来自使用者的语音指令。尽管图3将控制模块380及界面385显示为包含在显示装置300中，控制模块380及界面385中的一或二者(或其部分)可在不偏离本发明范畴的情形下设置在显示装置300的外部。例如，在显示系统102中所实施的显示装置300如同显示装置100的情形下，控制模块380及界面385可设置在不同于显示装置300的显示系统102的部分中。尽管未显示于图3中，显示装置300的部件可在不偏离本发明范畴的情形下由一并入显示装置300的电池供给电源，或通过(例如)界面385接收电力。
显示装置300可进一步包含一壳体390，所述壳体具有一用以接收环境光274的开口(图3未示)以及另一用以光学耦接光束分光器界面340与眼睛190的开口。
图4为说明一利用同轴眼睛成像并基于偏振的例示性近眼显示装置400的方块图。显示装置400为显示装置300的一实施例。显示装置400将显示装置300的每一光束分光器界面实施为一偏振光束分光器界面，以至少部分地基于偏振而管理不同光分量的合并与分离。具体而言，显示装置400将光束分光器界面340、可选择的光束分光器界面310、及光束分光器界面340，分别实施为偏振光束分光器(PBS)界面430、可选择的PBS410、及PBS界面440。
PBS界面430反射一偏振分量的红外光并传送所述垂直偏振分量的红外光。红外光照明模块222产生可经偏振或可不经偏振的红外光472。PBS界面430将一红外光472的偏振分量(即偏振红外光473)导引向PBS界面440。PBS界面430可经配置以将偏振红外光473反射向或传送向PBS界面440。
PBS界面430接收来自显示单元210的可见显示光270，并将偏振可见显示光470导引向PBS界面440。在一实施例中，可见显示光270是经偏振，且经偏振的可见显示光470具有与可见显示光270相同型式的偏振。在此实施例的一实例中，PBS界面430对可见光不具有偏振的功能，但经配置以将可见显示光270的至少一部分导引至PBS界面440。在此实施例的另一实例中，PBS界面430亦可在可见光波段进行偏振，可用于清除(或至少降低)可见显示光270的不完全偏振，以产生偏振可见显示光470。在另一实施例中，可见显示光270具有不同于(但不垂直于)偏振可见显示光470的偏振特性。在此实施例中，PBS界面430亦可在可见光波段进行偏振，且PBS界面430选择来自于可见显示光270的偏振可见显示光470并将偏振可见显示光470导引向PBS界面440。
在一般的情况下，PBS界面430不是(a)将偏振红外光473反射向PBS界面440且将偏振可见显示光470传送向PBS界面440，就是(b)将偏振红外光473传送向PBS界面440且将偏振可见显示光470反射向PBS界面440。PBS界面430可包含一或多个涂层以达到此目的。在一实施例中，PBS界面430包含一在红外光波段中具有偏振功能的涂层以及另一在可见光波段中具有偏振功能的涂层。在另一实施例中，PBS界面430包含一在红外光波段及在可见光波段中均具有偏振功能的宽带涂层。在一般的情况下，偏振红外光473的偏振亦可垂直于偏振可见显示光470的偏振。在本文中，「红外光波段」是指红外光472的光谱范围，而「可见光波段」是指可见显示光270的光谱范围。
PBS界面440是经配置以反射一偏振分量并传送所述垂直偏振分量，其中PBS界面440在可见光波段中具有与在红外光波段中相同的偏振功能。在一实施例中，PBS界面440传送具有与偏振可见显示光470相同偏振的光，并反射与偏振红外光473相同偏振的光。于此实施例中，PBS界面440可通过一可选择的四分之一波片442而将偏振可见显示光470传送至成像物镜342。凭借四分之一波片442，偏振可见显示光470的偏振在回传至PBS界面440时旋转90度，且PBS界面440接着将经回传的偏振可见显示光470反射向眼睛190。PBS界面440传送接收自周围场景290的偏振环境光475以作为环境光474的至少一部分。
在显示装置400包含PBS界面410、可见光源314及显示器312的实施例中，PBS界面410将来自可见光源314的可见光的一偏振分量导引向显示器312。显示器312放射出包含有可经PBS界面410传送的偏振分量的可见显示光，藉以放射出可见显示光270作为偏振可见显示光470。
图5A、5B及5C显示一利用同轴眼睛成像并基于偏振的例示性近眼显示装置500。显示装置500为显示装置400的一实施例。为清楚说明起见，可选择的控制模块380、可选择的界面385及可选择的壳体390未显示于图5A、5B及5C中。图5A显示用以照射眼睛190的显示光及红外光的传播。图5B显示眼睛190成像所依据的经反射红外光的传播。图5C显示由周围场景290至眼睛190的环境光的传播。最好一起看图5A、5B及5C。
显示装置500包含光束分光器立方体510、520及530，其分别含有PBS界面512、522及532。PBS界面512、522及532分别为PBS界面430、440及410的实施例。在一实施例中，光束分光器立方体510、520及530中的每一者是经配置具有呈45度角度514的相关PBS界面，如在光束分光器立方体510中所表示。显示装置500包含光信道350。显示装置500进一步包含可见光源314及一LCOS显示器516。LCOS显示器516为显示器312的一实施例。光束分光器立方体530连接(例如，接合)光束分光器立方体510。光通道350连接(例如，接合)光束分光器立方体510及520。
显示装置500是以光束分光器立方体520、一红外光波段四分之一波片542、一红外光波段反射镜544、一可见光波段四分之一波片546及一弯曲反射器548实施观看单元420。红外光波段反射镜544为红外光滤光器344的一实施例。可见光波段四分之一波片546为四分之一波片442的一实施例。
红外光照明模块222产生红外光570并在朝向光束分光器立方体510的方向放射出红外光570(参图5A)。红外光570不需被偏振，但其包含s-偏振红外光572。s-偏振红外光572是相对于PBS界面512而被s-偏振。PBS界面512是经设置以反射s-偏振光并传送红外光波段与可见光波段二者中的p-偏振光。因此，PBS界面512将接收自红外光照明模块222的s-偏振红外光572反射向PBS界面522。s-偏振红外光572是在一大致方向590上通过光通道350而传播。PBS界面512是经配置以反射s-偏振光并传送红外光波段与可见光波段二者中的p-偏振光。因此，PBS界面522将接收自光通道350的s-偏振红外光572朝向周围场景290方向反射，使得s-偏振红外光572穿过红外光波段四分之一波片542并被红外光波段反射镜544逆向反射而再次穿过红外光波段四分之一波片542，接着在朝向眼睛190的方向上作为p-偏振红外光574朝向PBS界面522传播。PBS界面522将s-偏振红外光572传送向眼睛190，让s-偏振红外光572照射眼睛190。
可见光源314产生可见光580(参图5)。PBS界面532将可见光580的一部分582反射向LCOS显示器516以照明LCOS显示器516。部分582是(例如)经s-偏振。LCOS显示器516在朝向PBS界面532的方向放射出可见显示光584。LCOS显示器516由部分582产生可见显示光584。PBS界面532传送p-偏振可见显示光586，而p-偏振可见显示光586为可见显示光584的至少一部分。p-偏振可见显示光586经PBS界面512传送，沿着方向590传播通过光通道350，并经PBS界面522传送而穿过可见光波段四分之一波片546，随后经弯曲反射器548逆向反射并聚集而再次穿过可见光波段四分之一波片546，接着在朝向光通道350的方向作为s-偏振可见显示光588而传播向PBS界面522。然而，PBS界面522将s-偏振可见显示光588反射向眼睛190以对眼睛190呈现LCOS显示器516的虚拟影像。
为清楚说明起见，图5A显示光传播为未重叠的直线。然而，应理解，光(诸如显示光及红外照明光)是以非零范围且可能发散或汇聚的光束传播通过显示装置500，同时又有不同的光束可重叠。例如，p-偏振可见显示光586及s-偏振红外光572可为PBS界面512及522之间的重叠光。
p-偏振红外光574的一部分是经眼睛190反射为反射红外光576(参图5B)。反射红外光576可包含p-偏振及s-偏振分量。PBS界面522传送p-偏振反射红外光577，而p-偏振反射红外光577为反射红外光576的一部分。p-偏振反射红外光577穿过红外光波段四分之一波片542，经红外光波段反射镜544反射并再次穿过红外光波段四分之一波片542，接着作为s-偏振反射红外光578传播向PBS界面522。PBS界面522将s-偏振反射红外光578反射向PBS界面512。s-偏振反射红外光578通过光通道350而沿着一相反于方向590的大致方向592传播向PBS界面512。PBS界面512将s-偏振反射红外光578反射向摄影机224。摄影机224基于s-偏振反射红外光578而捕获眼睛190的影像。
在显示装置500中红外光570与其分量的偏振管理将除了预期反射离开眼睛190的目的以外的红外光570通过其它装置被反射回眼睛190的风险降至最低程度。因此，经摄影机224捕获的眼睛190影像具有最低程度来自不预期红外光570逆反射的噪声影响。在不偏离本发明范畴的情形下，PBS界面512、522及532中的任一者可传送(反射)少量具有垂直于所述PBS界面被设计用来传送(反射)的偏振方向的偏振的光。这种情况可能发生(例如)于假如光以一明显远离PBS界面设计角度的角度入射在PBS界面512、522及532中的一者上时。
由周围场景290通过PBS界面522传播至眼睛190的环境光560可以是任何偏振的(参图5C)。然而，经由PBS界面522的环境光560传送实质上是限制为环境光560的p-偏振分量。假如周围场景290非常靠近显示装置500，环境光560可包含具有到PBS界面522的入射角相当远离为PBS界面522设计的入射角的光，其中一些s-偏振光会通过PBS界面522漏出至眼球190。在任何情况下，眼睛190将能够接收至少一部分的环境光560，因而能通过显示装置500观看周围场景290。
环境光560可包含一在红外光波段中的光谱分量。然而，此分量是经由红外光波段反射镜而反射离显示装置500，因此不会造成摄影机224所捕获的眼睛190影像中的背景值。
可选择地，如显示装置500中所实施的观看单元420进一步包含一可允许只将p-偏振环境光560传送至光束分光器立方体520内的偏振滤光镜543。这样可将环境光560被PBS界面522反射向LCOS显示器516及/或摄影机224的风险降至最低程度。
图6显示一利用同轴眼睛成像并基于偏振的例示性近眼显示装置600。显示装置600为显示装置500的一实施例。在显示装置600中，眼睛成像单元220连接光束分光器立方体510，且可见光源314是在一连接光束分光器立方体530的组件612中实施。眼睛成像单元220接合光束分光器立方体510，且可选择地(图6中未示)接合光通道350及/或光束分光器立方体530。同样地，组件612可接合光束分光器立方体530，且可选择地(图6中未示)接合光束分光器立方体510。为清楚说明起见，图6中未显示可选择的控制模块380、可选择的界面385及可选择的壳体390。
图7显示一利用同轴眼睛成像并基于偏振的例示性近眼显示装置700。显示装置700为显示装置400的一实施例。显示装置700是与显示装置500相似，惟其光通道350及光束分光器立方体510被实施PBS界面512的光信道750所替代。尽管图7中未显示，在不偏离本发明范畴的情形下，眼睛成像单元220可以一与图6所示方式相似的方式连接光信道750。同样地，在不偏离本发明范畴的情形下，显示装置700可在如图6所示的组件612中实施。为清楚说明起见，图7中未显示可选择的控制模块380、可选择的界面385及可选择的壳体390。
图8显示一利用同轴眼睛成像并基于偏振的例示性近眼显示装置800。显示装置800为显示装置400的一实施例。显示装置800是与显示装置600相似，惟在显示装置800中的光束分光器立方体530方位是经旋转(与显示装置600的配置相比)，使得组件612邻近于眼睛成像单元220。在不偏离本发明范畴的情形下，组件612可设置在远离眼睛成像单元220一距离的位置处。为清楚说明起见，图8中未显示可选择的控制模块380、可选择的界面385及可选择的壳体390。
在不偏离本发明范畴的情形下，显示装置800中的光束分光器立方体530方位可应用于显示装置500及700中的任一者，以及下述关于图9及图10的显示装置900及1000中的任一者。
图9显示一利用同轴眼睛成像并基于偏振的例示性近眼显示装置900。显示装置900为显示装置600的一实施例。在显示装置900中，眼睛成像单元220包含一锥状光通道916，所述锥状光通道916将(a)红外光照明模块222所产生的红外光耦接至光束分光器立方体510，及(b)经眼睛190反射的红外光由光束分光器立方体510耦接至摄影机224。此外，显示装置900是以一锥状光信道914实施组件612，所述锥状光通道914将可见光源314所产生的可见光耦接至光束分光器立方体530。锥状光通道914及916可具有与光通道350相似的材料特性。为清楚说明起见，图9中未显示可选择的控制模块380、可选择的界面385及可选择的壳体390。
在不偏离本发明范畴的情形下，锥状光通道914及916可在显示装置700、800及1000中的任一者中实施(如下关于图10所述)。
图10显示一利用同轴眼睛成像的例示性近眼显示装置1000。显示装置1000为显示装置300的一实施例。除了(a)光束分光器立方体510及520分别被光束分光器立方体1010及1020所置换，(b)红外光波段四分之一波片542与可见光波段四分之一波片546被显示装置1000省略，及(c)弯曲反射器548被弯曲反射器1048所置换以外，显示装置1000是与显示装置500类似。弯曲反射器1048是经配置以反射可见光波段及红外光波段二者。
光束分光器立方体1010及1020分别包含光束分光器界面1012及1022。光束分光器界面1012及1022分别为光束分光器界面230及340的实施例。光束分光器立方体1010具有对于可见光波段光为至少50％的透射系数，以及对于红外光波段光为至少50％的透射系数，其大体上不论偏振与否。在一实例中，光束分光器界面1012具有对于可见光波段光为将近100％的透射系数，以及对于红外光波段光为将近100％的反射系数，其大体上不论偏振与否。不论偏振与否，光束分光器界面1022对于红外光波段光及可见光波段光二者的透射与反射比率大体上为50％/50％。
实施时，可见光源314产生可见光580，其致使偏振可见显示光584由光束分光器立方体530传播至光束分光器立方体1010(参上述关于图5所述)。至少50％(在一实施例中为将近100％)的偏振可见显示光584经光束分光器界面1012传送，并传播通过光通道350至光束分光器立方体1020。光束分光器界面1022将偏振可见显示光584的一部分1080传送向弯曲反射器1048。弯曲反射器1048将所述部分1080聚集并逆向反射向光束分光器界面1022。光束分光器界面1022将所述部分1080的一部分1082反射向眼睛190以对眼睛190呈现LCOS显示器516的影像。弯曲反射器1048具有与弯曲反射器548相似的聚集特性。经由光束分光器立方体530递送的偏振可见显示光584中有多达约25％是被传送至眼睛190。
实施时，红外光照明模块222亦产生红外光570。至少50％(在一实施例中为将近100％)的红外光570经光束分光器界面1012反射，并传播通过光通道350至光束分光器立方体1020。光束分光器界面1022将红外光570的一部分1070传送向弯曲反射器1048。弯曲反射器1048将所述部分1070聚集并逆向反射向光束分光器界面1022。光束分光器界面1022将所述部分1070的一部分1072反射向眼睛190以使用红外光照射眼睛190。此外，光束分光器界面1022将红外光570的一部分1074反射向红外光波段反射镜544。红外光波段反射镜544将所述部分1074逆向反射至光束分光器界面1022。光束分光器界面1022将所述部分1074的一部分1076传送向眼睛190以对眼睛190提供进一步的红外光照明。经由红外光照明模块222产生的红外光570中有多达约50％是被传送至眼睛190。
眼睛190将一些入射至眼睛190上的红外光(如所述部分1072及1076)向后朝向光束分光器界面1022反射。若干的此类经反射红外光是沿着以与其红外光570及分量相关的光路相反的方向进行传播的光路(如上所述)，传播回眼睛成像单元220。摄影机224基于此经反射红外光而捕获眼睛190的影像。
除了有约50％的环境光在光束分光器界面1022损失之外，来自周围场景290的环境光是以一与上述显示装置500的说明相似的方法，传播通过红外光波段反射镜544及光束分光器界面1022。
图11显示一在近眼显示装置中执行同轴眼睛成像的例示性方法1100。方法1100是(例如)通过显示装置300执行。
在步骤1110中，方法1100使用一第一光束分光器界面将红外光与来自显示器的可见光合并。在步骤1110的一实例中，显示装置300的光束分光器界面230将红外光272与可见显示光270合并。
在步骤1100中，方法1100使用一第二光束分光器界面将步骤1110中的红外光与可见显示光叠加在来自于眼睛所观看周围场景的光上。在步骤1120的一实例中，显示装置300的光束分光器界面340将红外光272及可见显示光270叠加在环境光274上。
在步骤1130中，方法1100基于步骤1120中经眼睛反射的红外光的一部份而通过所述第二光束分光器界面及所述第一光束分光器界面对所述眼睛进行成像。在步骤1130的一实例中，摄影机224侦测反射红外光276以捕获眼睛190的影像。控制模块380可将红外光照明模块222启动一段有限持续时间，以在这有限持续时间的期间内利用红外光272的至少一部分照射眼睛190。控制模块380可进一步经配置以在这有限持续时间的期间内，基于反射红外光276诱发眼睛190影像的捕获。
在一实施例中，方法1100进一步包含步骤1102，且步骤1130包含步骤1132。步骤1102使用一光源而产生红外光，所述光源机械耦接于(a)一实施所述第一光束分光器的光束分光器立方体，及/或(b)一以所述第二光束分光器连接所述第一光束分光器的光通道。步骤1132使用一机械耦接于所述光束分光器立方体及/或步骤1102中的光通道的摄影机对所述眼睛进行成像。在此实施例的一实例中，方法1100利用显示装置300的一实施例，其中眼睛成像单元220连接至(a)光束分光器立方体510及光通道350中的至少一者，(b)光通道750，或(c)光束分光器立方体1010及光通道350中的至少一者，如上述关于图6-10中所述。
可选择地，方法1100亦包含一照明所述显示器及产生所述显示光的步骤1104。在步骤1104的一实例中，可见光源314照明显示器312，让显示器312放射出可见显示光。步骤1104的此实例可进一步包含经由光束分光器界面310的可见显示光偏振过滤。
图12显示一用以将方法1100的步骤1130中的反射红外光导引至摄影机的例示性方法1200。在步骤1210中，方法1200使用步骤1120的第二光束分光器界面将经眼睛反射的红外光由周围场景光中分离出。在步骤1210的一实例中，光束分光器界面340由环境光274中分离出反射红外光276。在步骤1220中，方法1200使用步骤1110的第一光束分光器界面将经眼睛反射的红外光由周围场景光中分离出。在步骤1220的一实例中，光束分光器界面230由可见显示光270中分离出反射红外光276。
图13显示一用以照明一显示器及产生相关显示光的例示性方法1300。方法1300为方法1100的步骤1104的一实施例，且可由显示装置500、600、700、800、900及1000中的任一者所实施的显示单元210执行。
在步骤1310中，方法1300产生可见照明光。在步骤1310的一实例中，可见光源314产生可见光580。
在步骤1320中，方法1300使用一偏振光束分光器界面，其大致上仅将所述可见照明光的第一偏振分量反射向一显示器。步骤1320因而以偏振可见照明光照明所述显示器。在步骤1320的一实例中，PBS界面532将可见光580的一s-偏振部分582反射向LCOS显示器516。
在步骤1330中，所述显示器放射出可见显示光。在步骤1330的一实例中，LCOS显示器516基于其设定而放射出产生自s-偏振部分582的可见显示光584。这些设定是(例如)由控制模块380所定义。
在步骤1340中，大致上仅有步骤1330中所放射出的可见显示光的一第二偏振分量传送通过步骤1320的偏振光束分光器界面，以产生偏振可见显示光。此第二偏振分量是垂直于所述第一偏振分量。在步骤1340的一实例中，PBS界面532传送p-偏振可见显示光586，其中p-偏振可见显示光586是可见显示光584的一分量。
图14显示一用以在一近眼显示装置中执行同轴眼睛成像的基于偏振的例示性方法1400。方法1400为方法1100的一实施例。方法1400是由(例如)显示装置400执行。
在步骤1410中，方法1400使用一第一偏振光束分光器界面将偏振红外光与来自显示器的偏振可见显示光合并。在步骤1410的一实例中，显示装置400的PBS界面430将偏振红外光473与偏振可见显示光470合并。
在一实施例中，步骤1410包含只反射接收自所述红外光源的红外光的一偏振分量的步骤1412。在步骤1412的一实例中，显示装置500、600、700、800及900中的任一者的PBS界面512通过在与经PBS界面512所传送p-偏振可见显示光586的传播方向相同的方向上反射s-偏振红外光572，而将s-偏振红外光572与p-偏振可见显示光586合并。
在步骤1420中，方法1100使用一第二偏振光束分光器界面将步骤1410的偏振红外光及偏振可见显示光，叠加在来自周围场景且被眼睛观看的光上。步骤1420因而将所述偏振红外光及偏振可见显示光二者导引至眼睛。在步骤1420的一实例中，显示装置400的PBS界面440将偏振红外光473及偏振可见显示光470叠加在环境光474上。在步骤1420的另一实例中，显示装置500、600、700、800及900中的任一者的PBS界面522将p-偏振红外光至574及s-偏振可见显示光588叠加在环境光560上。
在步骤1430中，方法1400基于步骤1420中被眼睛反射的红外光的一部分，通过所述第二偏振光束分光器界面及所述第一偏振光束分光器界面而对眼睛进行成像。在步骤1430的一实例中，摄影机224侦测偏振反射红外光477以捕获眼睛190的影像。在步骤1430的另一实例中，摄影机224侦测s-偏振反射红外光578以捕获眼睛190的影像。在一实施例中，步骤1430包含以第一及第二光束分光器界面中的每一者而进行实施的方法1200，所述光束分光器界面为偏振光束分光器界面，诸如PBS界面512及522，如上关于图5的说明所述。步骤1430可利用控制模块380，如上关于图11的步骤1130说明所述。
在一实施例中，方法1400进一步包含步骤1402，而步骤1430包含步骤1432。步骤1402类似于步骤1102，而步骤1432类似于步骤1132。在此实施例的一实例中，方法1400利用显示装置400的一实施例，其中眼睛成像单元220连接：(a)光束分光器立方体510及光通道350中的至少一者，或(b)光通道750，如上关于图6-9的说明所述。
可选择地，方法1400亦包含照明显示器及产生显示光的步骤1404。在步骤1404的一实例中，可见光源314照明显示器312，使得显示器312放射出可见显示光，其随后经PBS界面410偏振过滤。步骤1404的另一实例是使用可见光源314、PBS界面532及LCOS显示器516，如上关于方法1300所述。
图15显示一在步骤1420中用以将偏振红外光导引向眼睛190以照射所述眼睛的方法1500。方法1500是由(例如)显示装置500、600、700、800及900中的任一者执行。
在步骤1510中，方法1500使用所述第二偏振光束分光器界面以向周围场景反射所述接收自第一偏振光束分光器界面的偏振红外光。在步骤1510的一实例中，PBS界面522将s-偏振红外光572反射向周围场景290。
在步骤1520中，方法1500逆向反射并旋转在步骤1510中经第二偏振光束分光器界面反射的偏振红外光的偏振，以产生垂直偏振红外光。步骤1510包含步骤1522、1524及1526。在步骤1522中，方法1500将所述偏振红外光传递通过一红外光波段四分之一波片而传递向周围场景。在步骤1522的一实例中，s-偏振红外光572穿过红外光波段四分之一波片542以形成圆偏振红外光。在步骤1524中，方法1500在一红外光波段反射镜上逆向反射所述园偏振红外光。在步骤1524的一实例中，所述通过将s-偏振红外光572传递通过红外光波段四分之一波片542所产生的圆偏振红外光是经由红外光波段反射镜544逆向反射。在步骤1526中，方法1500将所述在步骤1524中被逆向反射的圆偏振红外光再次传递通过所述红外光波段四分之一波片，以形成垂直偏振红外光。在步骤1526的一实例中，所述经红外光波段反射镜544逆向反射的圆偏振红外光穿过红外光波段四分之一波片542以形成传播向PBS界面522的p-偏振红外光574。
在步骤1530中，方法1500将在步骤1520中所产生的垂直偏振红外光传送通过所述第二偏振光束分光器界面而传送向眼睛以照射眼睛。在步骤1530的一实例中，PBS界面522将p-偏振红外光574传送向眼睛190以照射眼睛190。
图16显示一在步骤1420中用以将偏振可见显示光导引向眼睛190以对眼睛呈现一显示影像的方法1600。方法1600是由(例如)显示装置400、500、600、700、800及900中的任一者执行。
在步骤1610中，方法1600通过所述第二偏振光束分光器界面而传送所述接收自第一偏振光束分光器界面的偏振可见显示光。在步骤1610的一实例中，PBS界面522传送p-偏振可见显示光586。
在步骤1620中，方法1600逆向反射、聚集及旋转在步骤1610中经第二偏振光束分光器界面所传送偏振可见显示光的偏振，以产生垂直偏振可见显示光。步骤1610包含步骤1622、1624及1626。在步骤1622中，方法1600将所述偏振可见显示光传递通过一可见光波长四分之一波片。在步骤1622的一实例中，p-偏振可见显示光586穿过可见光波段四分之一波片546以形成圆偏振可见显示光。在步骤1624中，方法1600在一可见光波段反射镜上逆向反射所述圆偏振可见显示光。在步骤1624的一实例中，通过将p-偏振可见显示光586传递通过可见光波段四分之一波片546所产生的圆偏振可见显示光，是被弯曲反射器548逆向反射。在步骤1626中，方法1600将步骤1624中所逆向反射的圆偏振红外光再次传递通过所述可见光波段四分之一波片，以形成垂直偏振可见显示光。在步骤1626的一实例中，所述被弯曲反射器548逆向反射的圆偏振可见显示光穿过可见光波段四分之一波片546，以形成传播向PBS界面522的s-偏振可见显示光588。
在步骤1630中，方法1600是在所述第二偏振光束分光器界面上将步骤1620中所产生的垂直偏振可见显示光反射向眼睛，以对所述眼睛呈现一显示影像。在步骤1630的一实例中，PBS界面522将s-偏振可见显示光588反射向眼睛190，以对眼睛190呈现一显示影像(例如LCOS显示器516的影像)。
其它的实施例
以下揭露了显示装置100的其它实施例。这些实施例被称作为「头戴式显示装置」。
在一实施例中，其提供了一种头戴式装置，包含：
一反射式微显示器；
一经配置以照明所述微显示器的可见光源；
一照明光学单元，其是经配置以将由所述可见光源散发出的可见光导引至所述微显示器内，致使自微显示器反射呈影像形式的光可沿着一光轴穿过其中而传送；
一成像光学单元，其是经配置将来自所述微显示器的影像投射至一使用者的眼睛内；以及
一眼睛追踪模块，包含：
一不可见光源，其是经配置以散发出一不可见光束至所述照明光学单元内，所述照明光学单元是经配置以沿着所述光轴反射所述不可见光束，所述成像光学单元是经配置以接收并导引所述不可见光源至所述使用者的眼睛内；以及
一传感器，其是经配置以接收由使用者眼睛反射回的不可见光束而捕获所述眼睛的影像。
可选择地，所述反射式微显示器可以是一硅基液晶显示器或一数字光处理显示器。可选择地，来自微显示器且投射至一使用者眼睛内的影像可以是一虚拟影像。可选择地，所述眼睛追踪模块可进一步包含一处理器，用以接收来自所述传感器的眼睛影像并监控眼睛的位置。可选择地，所述传感器可提供一实像以监控眼睛的位置。可选择地，所述处理器可由使用一算法而计算眼睛的位置。可选择地，所述成像光学单元可沿着所述光轴而设置在照明光学单元的下游处，同时所述眼睛追踪模块设置在所述照明光学单元的一第一侧上，且所述可见光源设置在所述照明光学单元的一与所述所述第一侧相对的第二侧上。可选择地，所述照明光学单元可包含一以相对于所述光轴为约45度角度设置的第一光束分光器。可选择地，所述成像光学单元可包含沿着所述光轴设置的一第二光束分光器及一成像透镜，所述第二光束分光器具有一第一表面，用以接收所述来自微显示器的影像及所述不可见光束，并使所述影像及所述不可见光束皆可穿过其中，而所述成像透镜是经配置以将所述来自微显示器的影像及所述不可见光束反射向所述第二光束分光器的一第二表面，且所述第二光束分光器的第二表面是经配置以将所述来自微显示器的影像及所述不可见光束反射至使用者的眼睛内。可选择地，所述成像光学单元可包含沿着所述光轴设置的一第二光束分光器与一成像透镜以及一反射器，所述第二光束分光器具有一第一表面，使来自微显示器的影像可穿过其中，并将所述不可见光束反射向所述反射器，其中所述第二光束分光器的第一表面进一步经配置让反射自反射器的不可见光束穿过其中而进入使用者的眼睛内，而所述成像透镜是经配置以将来自微显示器的影像反射向第二光束分光器的第二表面，且所述第二光束分光器的第二表面是经配置以将来自微显示器的影像反射至使用者的眼睛内。可选择地，所述不可见光源可以是一红外光发光二极管光源。
在另一实施例中，一头戴式显示装置包含：
一反射式微显示器；
一经配置以照明所述微显示器的可见光源；
一第一照明光学单元，其是经配置以将由所述可见光源散发出的可见光导引至所述微显示器内，致使自微显示器反射呈影像形式的光可沿着一光轴穿过其中；
一第二照明光学单元，其沿着所述光轴设置在所述第一照明光学单元的下游处，致使来自所述微显示器的影像可穿过其中；
一成像光学单元，其是经配置以将来自所述微显示器的影像投射至一使用者的眼睛内；以及
一眼睛追踪模块，包含：
一不可见光源，其是经配置以散发出一不可见光束至所述第二照明光学单元内，所述第二照明光学单元是经配置以沿着所述光轴反射所述不可见光束，所述成像光学单元是经配置以接收并导引所述不可见光源至所述使用者的眼睛内；以及
一传感器，其是经配置以接收由使用者眼睛反射回的不可见光束而捕获所述眼睛的影像。
可选择地，所述反射式微显示器可以是一硅基液晶显示器或一数字光处理显示器。可选择地，来自微显示器且投射至一使用者眼睛内的影像可以是一虚拟影像。可选择地，所述眼睛追踪模块可进一步包含一处理器，用以接收来自所述传感器的眼睛影像并监控眼睛的位置。可选择地，所述传感器可提供一实像以监控眼睛的位置。可选择地，所述处理器可由使用一算法而计算眼睛的位置。可选择地，所述第一照明光学单元、所述第二照明光学单元及所述成像光学单元可沿着所述光轴接连排列，同时所述眼睛追踪模块及所述可见光源分别设置在所述第二照明光学单元的一与所述所述第一照明光学单元的相同侧上。可选择地，所述第一照明光学单元可包含一以相对于所述光轴为约45度角度设置的第一光束分光器，所述第二照明光学单元可包含一以相对于所述光轴为约45度角度设置的第二光束分光器，其中所述第一光束分光器与第二光束分光器彼此垂直。可选择地，所述成像光学单元可包含沿着所述光轴设置的一第三光束分光器及一成像透镜，所述第三光束分光器具有一第一表面，用以接收所述来自微显示器的影像及所述不可见光束并使所述影像及所述不可见光束皆可穿过其中，而所述成像透镜是经配置以将所述来自微显示器的影像及所述不可见光束反射向所述第三光束分光器的一第二表面，且所述第三光束分光器的第二表面是经配置以将所述来自微显示器的影像及所述不可见光束反射至使用者的眼睛内。可选择地，所述成像光学单元可包含沿着所述光轴设置的一第三光束分光器与一成像透镜以及一反射器，所述第三光束分光器具有一第一表面，使来自微显示器的影像可穿过其中，并将所述不可见光束反射向所述反射器，其中所述第三光束分光器的第一表面进一步经配置让反射自反射器的不可见光束穿过其中而进入使用者的眼睛内，而所述成像透镜是经配置以将来自微显示器的影像反射向第三光束分光器的第二表面，且所述第三光束分光器的第二表面是经配置以将来自微显示器的影像反射至使用者的眼睛内。可选择地，所述不可见光源可以是红外光发光二极管光源。
又在另一实施例中，一头戴式显示装置包含：
一透射式微显示器；
一经配置以照明所述微显示器背面的可见光源，让呈影像形式的光由所述微显示器的正面沿着一光轴传送；
一照明光学单元，其是经配置以接收来自微显示器的影像并使所述影像可穿过其中；
一成像光学单元，其是经配置以将来自所述微显示器的影像投射至一使用者的眼睛内；以及
一眼睛追踪模块，包含：
一不可见光源，其是经配置以散发出一不可见光束至所述照明光学单元内，所述照明光学单元是经配置以沿着所述光轴反射所述不可见光束，所述成像光学单元是经配置以接收并导引所述不可见光源至所述使用者的眼睛内；以及
一传感器，其是经配置以接收由使用者眼睛反射回的不可见光束而捕获所述眼睛的影像。
可选择地，所述照明光学单元可包含一以相对于所述光轴为约45度角度设置的第一光束分光器。可选择地，所述成像光学单元可包含沿着所述光轴设置的一第二光束分光器及一成像透镜，所述第二光束分光器具有一第一表面，用以接收所述来自微显示器的影像及所述不可见光束并使所述影像及所述不可见光束皆可穿过其中，而所述成像透镜是经配置以将所述来自微显示器的影像及所述不可见光束反射向所述第二光束分光器的一第二表面，且所述第二光束分光器的第二表面是经配置以将所述来自微显示器的影像及所述不可见光束反射至使用者的眼睛内。可选择地，所述成像光学单元可包含沿着所述光轴设置的一第二光束分光器与一成像透镜以及一反射器，所述第二光束分光器具有一第一表面，使来自微显示器的影像可穿过其中，并将所述不可见光束反射向所述反射器，其中所述第二光束分光器的第一表面进一步经配置让反射自反射器的不可见光束穿过其中而进入使用者的眼睛内，其中所述成像透镜是经配置以将来自微显示器的影像反射向第二光束分光器的第二表面，且所述第二光束分光器的第二表面是经配置以将来自微显示器的影像反射至使用者的眼睛内。
与习用头戴式显示装置相比，在本文中所揭露的头戴式显示设备具有以下优点。1)所述头戴式显示装置各设有一含有一不可见光源与一传感器的眼睛追踪模块。所述不可见光源散发出不可见光束，其接着被一影像光学单元接收并藉其导引至使用者的眼睛内。基于可通过计算而判定出眼睛的位置，所述传感器接收由使用者眼睛反射回的不可见光束且因而捕获所述眼睛的影像。眼睛位置的监控可获得眼睛正在凝视一影像时的方向与角度。这使得有可能控制所显示的影像并追踪一对象。2)此由不可见光源散发出的不可见光束进入照明光学单元，藉以沿着一不可见光光轴行进。这结果使得对象追踪的准确性的提高。再者，所述不可见光束并不会影响到使用者。
在本文中所揭露的头戴式显示设备的核心原理是通过使用一包含可见光源与传感器的眼睛追踪模块而能够控制一被显示的影像并追踪一对象，其中所述不可见光源散发出不可见光，其接着被一影像光学单元接收并藉其导引至一使用者的眼睛内，而所述传感器接收被使用者眼睛反射回的不可见光束且因而捕获所述眼睛的影像，并通过监控所述眼睛的位置而获得眼睛正在凝视一影像时的方向与角度。
实施例1
图17以图解显示依据实施例1的一例示性头戴式显示装置1700。头戴式显示装置1700为显示装置300的一实施例。如图17中所示，头戴式显示装置1700包含一反射式微显示器1710(显示器312的一实施例)、一可见光源1711(可见光源314的一实施例)、一照明光学单元1712、一成像光学单元1713(观看单元320的一实施例)及一眼睛追踪模块1714(眼睛成像单元220的一实施例)。所述可见光源1711是经配置以照明所述微显示器1710。所述照明光学单元1712是经配置以将由所述可见光源1711发散的可见光导引至微显示器1710内，使得被微显示器1710反射且承载一影像的光穿过所述照明光学单元1712并沿着一光轴1790传送。照明光学单元1712将光束分光器界面230与光束分光器界面310实施为单一的光束分光器1721。成像光学单元1713是经配置以将来自微显示器1710的影像投射至一使用者的眼睛内(如图17中带箭头的实线所示)。所述眼睛追踪模块1714包含一不可见光源(红外光照明模块222的一实施例)及一传感器(摄影机224的一实施例)。所述不可见光源是适以发散出一不可见光束至照明光学单元1712内，其接着使所述不可见光束沿着所述光轴1790行进。所述成像光学单元1713是经配置以接收并导引所述不可见光束至使用者的眼睛内(如图17中带箭头的虚线所示)。所述传感器是经配置以接收由所述使用者眼睛反射回的不可见光束，藉以捕获眼睛的影像。应注意，图17中带箭头的实线与虚线仅用于表示不同光束的方向，并且，在方向相同的情形下所述线条应重合，但在图式中仍然以分离的线条呈现以显示其代表不同的光束。
所述眼睛追踪模块1714进一步包含一处理器，用以接收来自所述传感器的眼睛影像以及使用一运算法计算眼睛的位置。这类似于显示装置300的一实施例，将控制模块380的至少一部分实施在眼睛成像单元220中。由所述传感器所接收的影像为实像，以帮助传感器监控眼睛的位置。基于可以判定出眼睛正在凝视影像的哪一个部分，眼睛位置的监控可获知眼睛凝视来自微显示器的影像时的方向与角度。这能够控制被显示的影像并追踪一对象。此外，在不会影响到使用者的情况下，发散自不可见光源的不可见光束在穿过所述照明光学单元1712后，是沿着光轴1790而与可见光同轴行进，其结果是对象追踪的准确性的提升。再者，光束的同轴传送可在眼睛追踪模块1714中的传感器与所述微显示器1710之间建立了一已知关系，藉以使所述眼睛追踪模块1714不需要校准。
所述反射式微显示器1710是硅基液晶(LCOS)显示器或数字光处理(DLP)显示器。来自所述微显示器1710的影像为虚拟影像。所述不可见光源被实施为红外光发光二极管(LED)光源。
在此实施例中，所述成像光学单元1713是沿着光轴1790而设置在照明光学单元1712的下游处。此外，眼睛追踪模块1714是设置在照明光学单元1712的第一侧上，而所述可见光源1711是设置在所述照明光学单元1712与所述第一侧相对的一第二侧上。此外，照明光学单元1712包含一以相对于光轴1790约45度角度设置的第一光束分光器1721。再者，所述成像光学单元1713包含一第二光束分光器1731(其实施光束分光器界面340的一实施例)及一成像透镜1732(成像物镜342的一实施例)，二者皆沿着光轴1790排列。所述第二光束分光器1731具有一第一表面1731a与一第二表面1731b。所述第一表面1731a是适以接收所述来自微显示器1710的影像及所述不可见光束并供二者穿过其中。所述成像透镜1732是经配置以将所述影像及所述不可见光束反射向第二表面1731b，其接着将所述影像及所述不可见光束进一步反射至使用者的眼睛内。
在不偏离本发明范畴的情形下，光束分光器1731可被本领域中已知其它形式的光束分光器界面所替换，诸如一偏振光束分光器界面或一非偏振50％/50％光束分光器界面。在所述光束分光器1731是被一偏振光束分光器所替换的实施例中，成像光学单元1713可进一步包含一或多个四分之一波片，如上关于图4-9的说明所述。
实施例2
图18以图解显示依据实施例2的一例示性头戴式显示设备1800。头戴式显示设备1800是显示装置300的一实施例。综合参照图17及18，头戴式显示设备1800在成像光学单元1713的结构上是与头戴式显示设备1700不同。在头戴式显示设备1800中，所述成像光学单元1713包含一第二光束分光器1831(光束分光器界面340的一实施例)、一成像透镜1732(成像物镜342的一实施例)及一反射器1833(红外光波段反射镜544的一实施例)。所述第二光束分光器1831具有一第一表面1831a及一第二表面1831b。所述第一表面1831a致使来自微显示器1710的影像可穿过其中，并将不可见光束反射向所述反射器1833。所述第一表面1831a进一步经配置以致使由所述反射器1833反射的不可见光束穿过其中而进入使用者的眼睛内。所述成像透镜1732是经配置以将所述已穿过所述第一表面1831a的影像反射向第二表面1831b，其接着将所述影像反射至使用者的眼睛内，如图18中所示。
在不偏离本发明范畴的情形下，光束分光器1831可被本领域中已知其它形式的光束分光器界面所替换，诸如一偏振光束分光器界面或一非偏振50％/50％光束分光器界面。在光束分光器1831是被一偏振光束分光器界面所替换的实施例中，成像光学单元1713可进一步包含一或多个四分之一波片，(例如)如上关于图4-9的说明所述。
实施例3
图19以图解显示依据实施例3的一例示性头戴式显示装置1900。头戴式显示设备1900是显示装置300的一实施例。如图所示，头戴式显示设备1900包含：一反射式微显示器1930(显示器312的一实施例)、一可见光源1931(可见光源314的一实施例)、一第一照明光学单元1932(其实施光束分光器界面310的一实施例)、一第二照明光学单元1933(其实施光束分光器界面230的一实施例)、一成像光学单元1934(观看单元320的一实施例)以及一眼睛追踪模块1935(眼睛成像单元220的一实施例)。所述可见光源1931是经配置以照明所述微显示器1930。所述第一照明光学单元1932是经配置以将发自可见光源1931的可见光导引至微显示器1930内，且致使被微显示器1930反射且承载一影像的光穿过所述第一照明光学单元1932并沿着一光轴1990传送。所述第二照明光学单元1933是沿着所述光轴1990设置在所述第一照明光学单元1932的下游处，且致使来自微显示器1930的影像穿过其中。所述成像光学单元1934是经配置以将来自微显示器1930的影像投射至一使用者的眼睛内(如图19中带箭头的实线所示)。所述眼睛追踪模块1935包含一不可见光源(红外光照明模块222的一实施例)及一传感器(摄影机224的一实施例)。所述不可见光源是适以发散出一不可见光束至所述第二照明光学单元1933内，其接着使所述不可见光束沿着所述光轴1990行进。所述成像光学单元1934是经配置以接收并导引所述不可见光束至使用者的眼睛内(如图19中带箭头的虚线所示)。所述传感器是经配置以接收由所述使用者眼睛反射回的不可见光束，藉以捕获眼睛的影像。应注意，图19中带箭头的实线与虚线仅用于表示不同光束的方向，并且，在方向相同的情形下所述线条应重合，但在图式中仍然以分离的线条呈现以显示其代表不同的光束。
所述眼睛追踪模块1935进一步包含一处理器，用以接收来自所述传感器的眼睛影像以及使用一运算法以计算眼睛的位置。这类似于显示装置300的一实施例，将控制模块380的至少一部分实施在眼睛成像单元220中。由所述传感器所接收的影像为实像，以帮助传感器监控眼睛的位置。基于可以判定出眼睛正在凝视影像的哪一个部分，眼睛位置的监控可获知眼睛凝视来自微显示器的影像时的方向与角度。这能够控制被显示的影像并追踪一对象。此外，在不会影响到使用者的情况下，发散自不可见光源的不可见光束在穿过所述第二照明光学单元1933后，是沿着光轴1990而与可见光同轴行进，其结果是对象追踪的准确性的提升。再者，光束的同轴传送可在眼睛追踪模块1935中的传感器与所述微显示器1930之间建立了一已知关系，藉以使所述眼睛追踪模块1935不需要校准。
所述反射式微显示器1930为一LCOS显示器或一DLP显示器。来自微显示器1930的影像为一虚拟影像。所述不可见光源为一LED光源。
在本实施例中，所述第一照明光学单元1932、所述第二照明光学单元1933及所述成像光学单元1934是沿着所述光轴1990接连排列。此外，所述眼睛追踪模块1935是设置在所述第二照明光学单元1933的一第一侧上，而所述可见光源1931是设置在所述第一照明光学单元1932的第一侧上。所述眼睛追踪模块1935及所述可见光源1931是分别设置在所述第二照明光学单元1933与所述第一照明光学单元1932的相同侧上。此外，所述第一照明光学单元1932包含一以相对于所述光轴1990为约45度角度设置的第一光束分光器1921。再者，所述第二照明光学单元1933包含一以相对于所述光轴1990为约45度角度设置并垂直于所述第一光束分光器1921的第二光束分光器1931。而且，所述成像光学单元1934包含皆沿着所述光轴1990设置的一第三光束分光器1941(其实施光束分光器界面340的一实施例)及一成像透镜1942(成像物镜342的一实施例)。所述第三光束分光器1941具有一第一表面1941a及一第二表面1941b。所述第一表面1941a是适以接收所述来自微显示器1930的影像及所述不可见光束，并使所述影像及所述不可见光束皆穿过其中。而所述成像透镜1942是经配置以将所述影像及所述不可见光束反射向所述第二表面1941b，且接着进一步将所述影像及所述不可见光束反射至使用者的眼睛内。
在不偏离本发明范畴的情形下，光束分光器1941可被本领域中已知其它形式的光束分光器界面所替换，诸如一偏振光束分光器界面或一非偏振50％/50％光束分光器界面。在光束分光器1941是被一偏振光束分光器界面所替换的实施例中，成像光学单元1934可进一步包含一或多个四分之一波片，(例如)如上关于图4-9的说明所述。
实施例4
图20以图解显示依据实施例4的一例示性头戴式显示装置2000。头戴式显示设备2000是显示装置300的一实施例。综合参照图19及20，头戴式显示设备2000在成像光学单元1934的结构上是与头戴式显示设备1900不同。在此实施例中，所述成像光学单元1934包含一第三光束分光器2041(其实施光束分光器界面340的一实施例)、一成像透镜1942及一反射器2043(红外光波段反射镜544的一实施例)。所述第三光束分光器2041具有一第一表面2041a及一第二表面2041b。所述第一表面2041a致使来自微显示器1930的影像可穿过其中，并将不可见光束反射向所述反射器2043。所述第一表面2041a进一步经配置以致使由所述反射器2043反射的不可见光束穿过其中而进入使用者的眼睛内。所述成像透镜1942是经配置以将所述已穿过所述第一表面2041a的影像反射向第二表面2041b，其接着将所述影像反射至使用者的眼睛内，如图20中所示。
在不偏离本发明范畴的情形下，光束分光器2041可被本领域中已知其它形式的光束分光器界面所替换，诸如一偏振光束分光器界面或一非偏振50％/50％光束分光器界面。在光束分光器2041是被一偏振光束分光器界面所替换的实施例中，成像光学单元1934可进一步包含一或多个四分之一波片，(例如)如上关于图4-9的说明所述。
实施例5
图21以图解显示依据实施例5的一例示性头戴式显示设备2100。如图所示，头戴式显示设备2100包含：
一透射式微显示器2150(显示器312的一实施例)、一可见光源2151(可见光源314的一实施例)、一照明光学单元2152(其实施光束分光器界面230的一实施例)、一成像光学单元2153(观看单元320的一实施例)以及一眼睛追踪模块2154(眼睛成像单元220的一实施例)。所述可见光源2151是经配置以照明所述微显示器2150的背面，使得承载一影像的光由所述微显示器2150的正面沿着一光轴2190传送。所述照明光学单元2152是经配置以接收来自微显示器2150的影像并使所述影像可穿过照明光学单元2152。所述成像光学单元2153是经配置以将来自微显示器2150的影像投射至一使用者的眼睛内(如图21中带箭头的实线所示)。所述眼睛追踪模块2154包含一不可见光源(红外光照明模块222的一实施例)及一传感器(摄影机224的一实施例)。所述不可见光源是适以发散出一不可见光束至所述照明光学单元2152内，其接着使所述不可见光束沿着光轴2190行进。所述成像光学单元2153是经配置以接收并导引所述不可见光束至使用者的眼睛内(如图21中带箭头的虚线所示)。所述传感器是经配置以接收由所述使用者眼睛反射回的不可见光束，藉以捕获眼睛的影像。应注意，图21中带箭头的实线与虚线仅用于表示不同光束的方向，并且，在方向相同的情形下所述线条应重合，但在图式中仍然以分离的线条呈现以显示其代表不同的光束。
在此实施例中，所述照明光学单元2152包含一以相对于光轴2190为约45度角度设置的第一光束分光器2121(其实施光束分光器界面230的一实施例)。此外，所述成像光学单元2153包含皆沿着所述光轴2190设置的一第二光束分光器2131(其实施光束分光器界面340的一实施例)及一成像透镜2132(成像物镜342的一实施例)。所述第二光束分光器2131具有一第一表面2131a，用以接收所述来自微显示器2150的影像及所述不可见光束，并使所述影像及所述不可见光束皆可穿过其中。所述成像透镜2132是经配置以将所述影像及所述不可见光束反射向所述第二光束分光器2153的一第二表面2131b。所述第二表面2131b是适以将所述影像及所述不可见光束反射至使用者的眼睛内。
在不偏离本发明范畴的情形下，光束分光器2131可被本领域中已知其它形式的光束分光器界面所替换，诸如一偏振光束分光器界面或一非偏振50％/50％光束分光器界面。在光束分光器2131是被一偏振光束分光器界面所替换的实施例中，成像光学单元2153可进一步包含一或多个四分之一波片，(例如)如上关于图4-9的说明所述。
在与上述实施例有相似性的情形下，所述眼睛追踪模块2154进一步包含一处理器，用以接收来自所述传感器的眼睛影像并使用一算法计算眼睛的位置。这类似于显示装置300的一实施例，其中控制模块380的一部分是在眼睛成像单元220内实施。由所述传感器所接收的影像为一实像，用以帮助所述传感器监控眼睛的位置。基于可以判定出眼睛正在凝视影像的哪一个部分，眼睛位置的监控可获知眼睛凝视来自微显示器的影像时的方向与角度。这能够控制被显示的影像并追踪一对象。此外，在不会影响到使用者的情况下，发散自不可见光源的不可见光束在穿过所述照明光学单元2152后，是沿着光轴1790而与可见光同轴行进，其结果是对象追踪的准确性的提升。再者，光束的同轴传送可在眼睛追踪模块2154中的传感器与所述微显示器2150之间建立了一已知关系，因而使所述眼睛追踪模块2154不需要校准。
所述透射式微显示器2150为一LCOS显示器或一DLP显示器。来自微显示器2150的影像为一虚拟影像。所述不可见光源为一LED光源。
实施例6
图22显示依据实施例6的一例示性头戴式显示装置2200。综合参照图21及22，头戴式显示设备2200在成像光学单元2153的结构上是与头戴式显示设备2100不同。在头戴式显示设备2200中，所述成像光学单元2153包含一第二光束分光器2231(其实施光束分光器界面340的一实施例)、一成像透镜2132及一反射器2233(红外光波段反射镜544的一实施例)。所述第二光束分光器2231具有一第一表面2231a，其致使来自微显示器2250的影像可穿过其中，并将不可见光束反射向所述反射器2233。所述第一表面2231a进一步经配置以致使由所述反射器2233反射的不可见光束穿过其中而进入使用者的眼睛内。所述成像透镜2132是经配置以将所述已穿过所述第一表面2231a的影像反射向所述第二光束分光器2231的第二表面2241b，其接着将所述影像反射至使用者的眼睛内，如图22中所示。
在不偏离本发明范畴的情形下，光束分光器2231可被本领域中已知其它形式的光束分光器界面所替换，诸如一偏振光束分光器界面或一非偏振50％/50％光束分光器界面。在光束分光器2231是被一偏振光束分光器界面所替换的实施例中，成像光学单元2253可进一步包含一或多个四分之一波片，(例如)如上关于图4-9的说明所述。
可由上述说明理解到，在「其它的实施例」段落中所构思的头戴式显示设备各设有一含有一不可见光源及一传感器的眼睛追踪模块。所述不可见光源发散出一不可见光束，其接着被一成像光学单元接收并经其导引进入使用者的眼睛内。基于可通过计算判定出眼睛的位置，所述传感器接收由所述使用者眼睛反射回的不可见光束且因而捕获眼睛的影像。眼睛位置的监控可获得眼睛于凝视一影像时的方向与角度。这使其可以控制所显示的影像并追踪一对象。此外，由所述不可见光源发散出的不可见光束进入所述照明光学单元，藉以沿着所述不可见光的光轴行进。其结果使得对象追踪的准确性的提升。再者，所述不可见光束并不会影响到使用者。
特征的组合
在不偏离本发明范畴的情形下，可利用各种方法结合上述特征与以下所请求保护的特征。举例而言，吾人将了解在本文中所说明的一个近眼显示系统、装置或方法的实施样态可合并或替换本文中所说明的另一近眼显示系统、装置或方法中的特征。下述实例显示上述实施例的可能的非限制组合。吾人应该清楚在不偏离本发明的精神与范畴的情形下，可针对本文中的方法及装置做出许多其它改变及修改。
(A1)一种利用同轴眼睛成像的近眼显示装置，供装设在一使用者的一眼睛的视野中，其可包含：一显示单元，用以显示一显示影像；一观看单元，用于：(i)基于接收自所述显示单元的偏振可见光而对所述眼睛呈现所述显示影像，及(ii)将来自一周围场景的环境光传送向所述眼睛；以及一眼睛成像单元，其具有：(a)一照明模块，用以产生红外光；(b)一第一偏振光束分光器界面，其设置于所述显示单元与所述观看单元之间，用于：(i)将所述红外光的一偏振红外光分量与所述偏振可见光合并，及(ii)将所述偏振可见光与所述经眼睛反射的偏振红外光分量的一部分分离；及(c)一摄影机，用以基于所述经眼睛反射的偏振红外光分量的部分形成所述眼睛的一影像。
(A2)如(A1)所述的近眼显示装置中，其中所述第一偏振光束分光器界面可经配置以传送所述偏振可见光及反射所述偏振红外光分量。
(A3)如(A1)及(A2)中的一或二者所述的近眼显示装置，其中所述显示单元可经配置以放射出所述偏振可见光以作为p-偏振可见光。
(A4)如(A1)至(A3)中的任一者所述的近眼显示装置，其中所述第一偏振光束分光器界面可经配置以通过反射而产生所述偏振红外光分量以作为s-偏振红外光。
(A5)如(A1)至(A4)中的任一者所述的近眼显示装置，其中所述观看单元可包含一第二偏振光束分光器界面，其经配置以用于：(i)传送所述接收自所述显示单元的偏振可见光，及(ii)反射所述接收自所述第一偏振光束分光器界面的偏振红外光分量。
(A6)如(A5)所述的近眼显示装置，其中所述第二偏振光束分光器界面可经配置以将所述接收自第一偏振光束分光器界面的偏振红外光分量反射向所述周围场景。
(A7)如(A6)所述的近眼显示装置，其中所述观看单元可进一步包含：(a)一红外光波段反射镜，其设置在所述第二偏振光束分光器界面与所述周围场景之间，用以逆向反射所述通过所述第二偏振光束分光器界面反射向所述周围场景的偏振红外光分量；以及(b)一红外光波段四分之一波片，用以旋转所述偏振红外光分量的偏振，以协同所述红外光波段反射镜，形成垂直偏振红外光以通过所述第二偏振光束分光器界面传送向所述眼睛。
(A8)如(A5)至(A7)中的任一者所述的近眼显示装置，其中所述观看单元可包含一成像物镜，用以聚集所述偏振可见光以对所述眼睛呈现所述显示影像。
(A9)如(A8)所述的近眼显示装置，其中所述成像物镜为一反射式成像物镜。
(A10)如(A9)所述的近眼显示装置，其中所述观看单元可进一步包含一可见光波段四分之一波片，其设置在所述第二偏振光束分光器界面与所述成像物镜之间，用以旋转所述偏振可见光的偏振，以协同所述成像物镜，形成垂直偏振可见光以通过所述第二偏振光束分光器界面反射向所述眼睛。
(A11)如(A5)至(A10)中的任一者所述的近眼显示装置，其可包含(a)一第一光束分光器立方体，其实施所述第一偏振光束分光器界面，且具有一面向所述观看单元的第一面；(b)一第二光束分光器立方体，其实施所述第二偏振光束分光器界面，且具有一面向所述第一面的第二面；以及(c)一立体光通道，其具有：(i)一结合至所述第一面的第一平坦表面，及(ii)一结合至所述第二面的第二平坦表面。
(A12)如(A11)所述的近眼显示装置，其中所述照明模块及所述摄影机可在一封装体中实施，所述封装体是直接装设至所述第一光束分光器立方体与所述立体光通道中的至少一者上。
(A13)如(A11)及(A12)中的一或二者所述的近眼显示装置，其中所述显示单元可包含一显示器；以及一第三光束分光器立方体，其具有：(a)一第三偏振光束分光器界面，用以将来自所述显示器的偏振可见光传送向所述观看单元，及(b)一第三面，其结合至所述第一光束分光器立方体的一第四面上，所述第四面是与所述第一面相对。
(A14)如(A1)至(A13)中的任一者所述的近眼显示装置，其中所述显示单元可包含：(a)一硅基液晶显示器，用以通过从偏振可见照明光产生所述偏振可见光而显示所述显示影像；(b)一照明模块，用以产生含有所述偏振照明光的可见照明光；以及(c)一第三偏振光束分光器界面，其用于：(i)只将来自所述可见照明光的所述偏振可见照明光反射向所述硅基液晶显示器，及(ii)传送来自所述硅基液晶显示器的偏振可见光。
(A15)如(A1)至(A14)中的任一者所述的近眼显示装置，其中所述成像单元进一步可包含一控制模块，其以通信方式耦接所述照明模块，用以将所述照明模块启动一段有限持续时间，进而在所述有限持续时间的期间内以所述红外光的至少一部分照射所述眼睛。
(A16)如(A15)所述的近眼显示装置，其中所述控制模块可进一步以通信方式耦接所述摄影机，且经配置于所述有限持续时间的期间内诱发所述眼睛影像的捕获。
(B1)一种用以在一近眼显示装置执行同轴眼睛成像的方法，所述近眼显示装置是供装设在一使用者的一眼睛的视野中，所述方法可包含：(a)使用一第一偏振光束分光器界面将偏振红外光与来自一显示器的偏振可见显示光合并；(b)使用一第二偏振光束分光器界面将所述偏振红外光与所述偏振可见光叠加在来自一周围场景的环境光上，用于：(i)以所述偏振红外光照射所述眼睛，(ii)对所述眼睛呈现所述显示器的一影像，及(iii)使所述眼睛可观看所述周围场景；以及(c)基于所述经眼睛反射的偏振红外光的一部分，通过所述第二偏振光束分光器界面及所述第一偏振光束分光器界面而对所述眼睛进行成像。
(B2)如(B1)所述的方法，其中所述成像步骤可包含：使用所述第二偏振光束分光器界面从所述环境光分离出经眼睛反射的所述部分偏振红外光；以及使用所述第一偏振光束分光器界面从所述偏振可见光分离出经眼睛反射的所述部分偏振红外光。
(B3)如(B1)及(B2)中的一或二者所述的方法，其中所述使用一第二偏振光束分光器界面的步骤可包含：(a)使用所述第二偏振光束分光器界面将接收自所述第一偏振光束分光器界面的偏振红外光反射向所述周围场景；(b)逆向反射及旋转所述偏振红外光的偏振，以产生垂直偏振红外光；以及(c)将所述垂直偏振红外光传送通过所述第二偏振光束分光器界面传送向眼睛以照射眼睛。
(B4)如(B3)所述的方法，其中所述逆向反射及旋转偏振的步骤可包含：(a)将所述经第二偏振光束分光器界面反射向周围场景的偏振红外光，传递通过一红外光波段四分之一波片以旋转所述偏振红外光的偏振；(b)在一红外光波段反射镜上逆向反射所述传递通过所述红外光波段四分之一波片的偏振红外光；以及(c)将所述经红外光波段反射镜逆向反射的偏振红外光，传递通过所述红外光波段四分之一波片以进一步旋转所述偏振红外光，藉以产生所述垂直偏振红外光。
(B5)如(B1)至(B4)中的任一者所述的方法，其可进一步包含：(a)将接收自所述第一偏振光束分光器界面的偏振可见光传送通过所述第二偏振光束分光器界面；(b)逆向反射及旋转所述经第二偏振光束分光器界面传送的偏振可见光的偏振，以产生垂直偏振可见光；以及(c)使用所述第二偏振光束分光器界面将所述垂直偏振可见光反射向眼睛，以对所述眼睛呈现所述显示器的影像。
(B6)如(B5)所述的方法，其中所述逆向反射及旋转偏振的步骤可包含在一曲面镜表面上逆向反射所述偏振可见光以对眼睛呈现所述显示器的影像，作为一位于一离眼睛的距离大于从显示器到眼睛的光传播距离的位置处的虚拟影像。
(B7)如(B1)至(B6)中的任一者所述的方法，其可进一步包含：(a)使用一照明模块产生红外光，所述照明模块机械耦接于(i)一实施所述第一偏振光束分光器界面的第一光束分光器立方体及(ii)一以一实施所述第二偏振光束分光器界面的第二光束分光器立方体而连接所述第一光束分光器立方体的光通道中的至少一者；以及(c)在所述第一偏振光束分光器界面上只反射所述红外光的一偏振分量，以产生所述偏振红外光。
(B8)如(B7)所述的方法，其中所述成像步骤可包含使用一机械耦接于所述第一光束分光器立方体与所述光通道中的至少一者的摄影机而对所述眼睛进行成像。
(B9)如(B1)至(B8)中的任一者所述的方法，其可进一步包含：(a)产生可见照明光；(b)使用一第三偏振光束分光器界面，只将所述可见照明光的一第一偏振分量反射向所述显示器，以利用偏振可见照明光照明所述显示器；(c)基于所述可见照明光及所述显示器的设定，从所述显示器向所述第三偏振光束界面放射第一可见显示光；以及(d)只将所述第一可见光的一垂直于所述第一偏振分量的第二偏振分量，传送通过所述第三偏振光束分光器界面及所述第一偏振光束分光器界面而传送向所述第二偏振光束分光器界面。
可在不偏离本发明范畴的情形下对上述方法及系统做出改变。因此应当指出的是，上述说明或显示于附图中的内容应解释为说明性的意义而非限制性的意义。下列申请专利范围意欲涵盖本文所述的所有一般性特征及特定特征，且由于语言的关系，本方法及系统的范畴的陈述皆应落入其间。

Claims (21)

1.一种利用同轴眼睛成像的近眼显示装置，供装设在一使用者的一眼睛的视野中，其包括：
一显示单元，用以显示一显示影像；
一观看单元，用于：(i)基于接收自所述显示单元的偏振可见光而对所述眼睛呈现所述显示影像，及(ii)将来自一周围场景的环境光传送向所述眼睛；以及
一眼睛成像单元，包含：
一照明模块，用以产生红外光；
一第一偏振光束分光器界面，其设置于所述显示单元与所述观看单元之间，用于：(i)将所述红外光的一偏振红外光分量与所述偏振可见光合并，及(ii)将所述偏振可见光与所述经眼睛反射的偏振红外光分量的一部分分离；及
一摄影机，用以基于所述部分的偏振红外光分量形成所述眼睛的一影像。
2.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其中所述第一偏振光束分光器界面是经配置以传送所述偏振可见光及反射所述偏振红外光分量。
3.根据权利要求2所述的近眼显示装置，其中所述显示单元是经配置以放射出所述偏振可见光以作为p-偏振可见光，所述第一偏振光束分光器界面是经配置以通过反射而产生所述偏振红外光分量以作为s-偏振红外光。
4.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其中所述观看单元包括：
一成像物镜，用以聚集所述偏振可见光以对所述眼睛呈现所述显示影像；以及
一第二偏振光束分光器界面，是经配置以用于：(i)传送所述接收自所述显示单元的偏振可见光，及(ii)反射所述接收自所述第一偏振光束分光器界面的偏振红外光分量。
5.根据权利要求4所述的近眼显示装置，其中
所述第二偏振光束分光器界面是经配置以将所述接收自第一偏振光束分光器界面的偏振红外光分量反射向所述周围场景；且
所述观看单元进一步包含：
一红外光波段反射镜，其设置在所述第二偏振光束分光器界面与所述周围场景之间，用以逆向反射所述通过所述第二偏振光束分光器界面反射向所述周围场景的偏振红外光分量；以及
一红外光波段四分之一波片，用以旋转所述偏振红外光分量的偏振，以协同所述红外光波段反射镜，形成垂直偏振红外光以通过所述第二偏振光束分光器界面传送向所述眼睛。
6.根据权利要求5所述的近眼显示装置，其中
所述成像物镜为一反射式成像物镜；且
所述观看单元进一步包含：
一可见光波段四分之一波片，其设置在所述第二偏振光束分光器界面与所述成像物镜之间，用以旋转所述偏振可见光的偏振，以协同所述成像物镜，形成垂直偏振可见光以通过所述第二偏振光束分光器界面反射向所述眼睛。
7.根据权利要求4所述的近眼显示装置，其包括：
一第一光束分光器立方体，其实施所述第一偏振光束分光器界面，且具有一面向所述观看单元的第一面；
一第二光束分光器立方体，其实施所述第二偏振光束分光器界面，且具有一面向所述第一面的第二面；以及
一立体光通道，其具有：(i)一结合至所述第一面的第一平坦表面，及(ii)一结合至所述第二面的第二平坦表面。
8.根据权利要求7所述的近眼显示装置，其中所述照明模块及所述摄影机是在一封装体中实施，所述封装体是直接装设至所述第一光束分光器立方体与所述立体光通道中的至少一者上。
9.根据权利要求7所述的近眼显示装置，其中所述显示单元包括：
一显示器；以及
一第三光束分光器立方体，其具有：
一第三偏振光束分光器界面，用以将来自所述显示器的偏振可见光传送向所述观看单元，及
一第三面，其结合至所述第一光束分光器立方体的一第四面上，所述第四面是与所述第一面相对。
10.根据权利要求4所述的近眼显示装置，其中所述显示单元包括：
一硅基液晶显示器，用以通过从偏振可见照明光产生所述偏振可见光而显示所述显示影像；
一照明模块，用以产生含有所述偏振照明光的可见照明光；以及
一第三偏振光束分光器界面，其用于：(i)只将来自所述可见照明光的所述偏振可见照明光反射向所述硅基液晶显示器，及(ii)传送来自所述硅基液晶显示器的偏振可见光。
11.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其中所述成像单元进一步包括一控制模块，其以通信方式耦接所述照明模块，用以将所述照明模块启动一段有限持续时间，进而在所述有限持续时间的期间内以所述红外光的至少一部分照射所述眼睛。
12.根据权利要求11所述的近眼显示装置，其中所述控制模块进一步以通信方式耦接所述摄影机，且经配置于所述有限持续时间的期间内诱发所述眼睛影像的捕获。
13.一种用以在一近眼显示装置执行同轴眼睛成像的方法，所述近眼显示装置供装设在一使用者的一眼睛的视野中，所述方法包括：
使用一第一偏振光束分光器界面将偏振红外光与来自一显示器的偏振可见显示光合并；
使用一第二偏振光束分光器界面将所述偏振红外光与所述偏振可见光叠加在来自一周围场景的环境光上，用于：(a)以所述偏振红外光照射所述眼睛，(b)对所述眼睛呈现所述显示器的一影像，及(c)使所述眼睛可观看所述周围场景；以及
基于所述经眼睛反射的偏振红外光的一部分，通过所述第二偏振光束分光器界面及所述第一偏振光束分光器界面而对所述眼睛进行成像。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述成像步骤包括：
使用所述第二偏振光束分光器界面从所述环境光分离出经眼睛反射的所述部分偏振红外光；以及
使用所述第一偏振光束分光器界面从所述偏振可见光分离出经眼睛反射的所述部分偏振红外光。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述使用一第二偏振光束分光器界面的步骤包括：
使用所述第二偏振光束分光器界面将接收自所述第一偏振光束分光器界面的偏振红外光反射向所述周围场景；
逆向反射及旋转所述偏振红外光的偏振，以产生垂直偏振红外光；以及
将所述垂直偏振红外光传送通过所述第二偏振光束分光器界面传送向眼睛以照射眼睛。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述逆向反射及旋转偏振的步骤包括：
将所述经第二偏振光束分光器界面反射向周围场景的偏振红外光，传递通过一红外光波段四分之一波片以旋转所述偏振红外光的偏振；
在一红外光波段反射镜上逆向反射所述传递通过所述红外光波段四分之一波片的偏振红外光；以及
将所述经红外光波段反射镜逆向反射的偏振红外光，传递通过所述红外光波段四分之一波片以进一步旋转所述偏振红外光，藉以产生所述垂直偏振红外光。
17.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：
将接收自所述第一偏振光束分光器界面的偏振可见光传送通过所述第二偏振光束分光器界面；
逆向反射及旋转所述经第二偏振光束分光器界面传送的偏振可见光的偏振，以产生垂直偏振可见光；以及
使用所述第二偏振光束分光器界面将所述垂直偏振可见光反射向眼睛，以对所述眼睛呈现所述显示器的影像。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述逆向反射及旋转偏振的步骤包括在一曲面镜表面上逆向反射所述偏振可见光以对眼睛呈现所述显示器的影像，作为一位于一离眼睛的距离大于从显示器到眼睛的光传播距离的位置处的虚拟影像。
19.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：
使用一照明模块产生红外光，所述照明模块机械耦接于(a)一实施所述第一偏振光束分光器界面的第一光束分光器立方体及(b)一以一实施所述第二偏振光束分光器界面的第二光束分光器立方体而连接所述第一光束分光器立方体的光通道中的至少一者；以及
在所述第一偏振光束分光器界面上只反射所述红外光的一偏振分量，以产生所述偏振红外光。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述成像步骤包括使用一机械耦接于所述第一光束分光器立方体与所述光通道中的至少一者的摄影机而对所述眼睛进行成像。
21.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括：
产生可见照明光；
使用一第三偏振光束分光器界面，只将所述可见照明光的一第一偏振分量反射向所述显示器，以利用偏振可见照明光照明所述显示器；
基于所述可见照明光及所述显示器的设定，从所述显示器向所述第三偏振光束界面放射第一可见显示光；以及
只将所述第一可见光的一垂直于所述第一偏振分量的第二偏振分量，传送通过所述第三偏振光束分光器界面及所述第一偏振光束分光器界面而传送向所述第二偏振光束分光器界面。
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