CN106164745A - 头戴式显示器和低醒目性瞳孔照明器 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了可在对眼睛的瞳孔进行照明的光学装置中使用的光学元件，具体地讲与可包括眼睛跟踪功能的头戴式显示器一起使用的光学元件。所述光学装置包括光源和透射光的光学元件，其中从所述光源发射的光由所述光学元件朝向所述眼睛的瞳孔导向，然后可由光学传感器诸如相机检测眼睛的属性。所述光源可发射人眼不可见的红外线，使得所述头戴式显示器的外界景物图像和/或组合数字图像不受影响。
Description
背景技术
可佩戴装置的主要趋势是不仅向用户提供数据，而且感测来自用户的重要信息。用户的眼睛可提供关键信息，以帮助用户在画面中进行导航，监测用户的健康和警觉性，并提供用户对不同信息源的反应的反馈。眼睛监测常常需要照明源，通常为红外线，其定位在眼睛前方。这种前方照明将装置和电连接件添加到眼镜的高度可见部件中，常常限制设计美学。此外，电连接件通常可穿过眼镜的铰链，并且可导致铰链变硬，降低电连接件的可靠性，或两者。需要将眼睛监测照明系统定位在眼镜上的其他地方。
发明内容
本公开提供了在对眼睛的瞳孔进行照明的光学装置中可用的光学元件，具体地讲，与可包括眼睛跟踪功能的头戴式显示器一起使用的光学元件。该光学装置包括光源和透射光的光学元件，其中从光源发射的光由光学元件被朝向眼睛的瞳孔导向，并且然后可由光学传感器诸如相机检测眼睛的属性。该光源可发射人眼不可见的红外线，使得头戴式显示器的外界景物图像和/或组合数字图像不受影响。
在一个方面，本公开提供包括透镜的光学元件，该透镜具有凹形第一主表面、相对的第二主表面和设置于两者间的嵌入式反射器；与第一偏振方向对准并且邻近凹形第一主表面设置的反射偏振片；以及位于反射偏振片和嵌入式反射器之间的延迟器，该延迟器具有与第一偏振方向成延迟器角度对准的快光轴。
在另一方面，本公开提供头戴式显示器，该头戴式显示器包括透镜，该透镜具有凹形第一主表面、相对的第二主表面和设置于两者间的嵌入式反射器；与第一偏振方向对准并且邻近凹形第一主表面设置的反射偏振片；以及位于凹形第一主表面和反射偏振片之间的延迟器，该延迟器具有与第一偏振方向成延迟器角度对准的快光轴。该头戴式显示器还包括被定位成将图像光束朝向凹形第一主表面投射的图像成形装置，该图像光束包括在第一偏振方向上偏振的光，其中图像光束的至少一部分能够被朝向邻近图像成形装置设置的眼睛导向。
在又一方面，本公开提供包括透镜的头戴式跟踪装置，该透镜具有凹形第一主表面和相对的第二主表面；邻近凹形第一主表面设置的半透反射镜；被定位成将光束朝向半透反射镜投射的照明器，光束的一部分由半透反射镜进行反射，并且能够对邻近照明器定位的眼睛进行照明；以及被定位成与照明器相邻并能够接受从半透反射镜反射的被照明眼睛的图像的图像接收装置。
在又一方面，本公开提供跟踪型头戴式显示器，其包括透镜，该透镜具有凹形第一主表面、相对的第二主表面和嵌入式反射器；与第一偏振方向对准并且邻近凹形第一主表面设置的反射偏振片；以及位于凹形第一主表面和反射偏振片之间的延迟器，该延迟器具有与第一偏振方向成延迟器角度对准的快光轴。该跟踪型头戴式显示器还包括被定位成将图像光束朝向凹形第一主表面投射的图像成形装置，该图像光束包括在第一偏振方向上偏振的光，其中图像光束的至少一部分能够被朝向邻近图像成形装置设置的眼睛导向；邻近图像成形装置定位的照明器，该照明器能够朝向反射偏振片投射照明器光束；以及邻近照明器设置的图像接收装置；其中反射偏振片、延迟器和嵌入式反射器一起能够对邻近照明器定位的眼睛进行照明，图像接收装置能够接收被照明眼睛的图像。
上述发明内容并非旨在描述本公开的每个所公开的实施方案或每种实施方式。以下附图和具体实施方式更具体地说明例示性实施方案。
附图说明
整个说明书参考附图，在附图中，类似的附图标号表示类似的元件，并且其中：
图1A示出了头戴式显示系统的示意性剖视图；
图1B示出了图1A的光学元件的示意性剖视图；
图2示出了头戴式跟踪装置的示意性剖视图；
图3示出了头戴式跟踪装置的示意性剖视图；
图4示出了头戴式跟踪装置的示意性剖视图；
图5示出了头戴式跟踪装置的示意性剖视图；并且
图6示出了头戴式跟踪显示系统的透视图。
附图未必按比例绘制。附图中使用的类似标号指示类似的部件。然而，应当理解，在给定附图中使用标号指示部件并非意图限制另一附图中用相同标号标记的部件。
具体实施方式
本公开提供了在对眼睛的瞳孔进行照明的光学装置中可用的光学元件，具体地讲，与可包括眼睛跟踪功能的头戴式显示器一起使用的光学元件。该光学装置包括光源和透射光的光学元件，其中从光源发射的光由光学元件被朝向眼睛的瞳孔导向，并且然后可由光学传感器诸如相机检测眼睛的属性。该光源可发射人眼不可见的红外线，使得头戴式显示器的外界景物图像和/或组合数字图像不受影响。
在以下说明中参考附图，这些附图构成本文的一部分，并且其中通过举例说明的方式示出。应当理解，在不脱离本公开的范围或实质的情况下，可设想并形成其他实施方案。因此，不应认为以下详细说明具有限制性意义。
除非另外指明，否则本发明中使用的所有的科学和技术术语具有在本领域中所普遍使用的含义。本文给出的定义旨在有利于理解本文频繁使用的一些术语，并无限制本公开范围之意。
除非另外指明，否则说明书和权利要求书中所使用的所有表达特征尺寸、量和物理特性的数值在所有情况下均应理解成由术语“约”修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可根据本领域的技术人员使用本文所公开的教导内容寻求获得的期望特性而变化。
除非内容另外明确指定，否则本说明书和所附权利要求中使用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”涵盖了具有多个指代对象的实施方案。除非上下文另外清楚指明，否则如本说明和所附权利要求中使用的，术语“或”一般以包括“和/或”的意义使用。
若在本文中使用空间相关的术语，包括但不限于“下部”、“上部”、“下面”、“下方”、“上方”、和“在顶部上”，则用于方便描述一个或多个元件相对于另一个元件的空间关系。除了图中示出的或本文所述的具体取向之外，此类空间相关术语还涵盖装置在使用或操作时的不同取向。例如，如果附图中所描绘的对象翻转或倒转，则先前描述为在其他元件下方或下面的部分应当在那些其他元件上方。
如本文所用，例如当元件、部件或层描述为与另一元件、组件或层形成“一致界面”，或在另一元件、部件或层“上”、“连接到”、“耦合到”或“接触”另一元件、部件或层，其意为直接在...上，直接连接到，直接耦合到或直接接触，或例如居间的元件、部件或层可能在特定元件、部件或层上，或连接到、耦合到或接触特定元件、部件或层。例如当元件、部件或层被称为“直接在另一元件上”、“直接连接到另一元件”、“直接与另一元件耦合”或“直接与另一元件接触”时，则没有居间的元件、部件或层。
如本文所用，“具有”、“包括”、“包含”、“含有”等等均以其开放性意义使用，并且一般是指“包括但不限于”。应当理解，术语“由...组成”和“基本上由...组成”包含在术语“包括”等之中。
组合或“组合器”近眼显示器通常依赖于使用光学器件既将真实外界景物透射给用户、又将副像(例如，数字图像)投射至眼睛。一种类型的组合器显示器可使用半透镜面，诸如50％可见光透射率(VLT)镜面，该镜面可透射外界景物的一部分，并且还反射副像的一部分。另一种类型的组合器显示器可使用发射或弱反射偏振片，所述偏振片可几乎完全向用户透射外界景物的一个偏振态，并且还几乎完全(或至少部分地)向用户反射偏振的副像。另一种类型的组合器显示器可使用二向色、“凹口”，或“梳”型反射器，该反射器可将一定波长谱带的光(例如，第一波长范围的光)反射至某种程度，但是也透射其他波长谱带(例如，第二波长范围的光或更多波长范围的光)，或者部分地透射波长的反射谱带。
如本文所提供的头戴式显示器能够向用户的眼睛透射真实外界的景物，同时还反射或透射副像，诸如通过数字显示器产生的副像。在一个具体实施方案中，光学元件诸如透镜包括具有二向色、“凹口”或“梳”型透射和反射型材的涂层或膜。在一个具体实施方案中，光学元件包括反射偏振片，该偏振片反射一个偏振态(例如，第一偏振方向)并将另一个偏振态(例如，与第一偏振方向正交的第二偏振方向)传递到不同程度。在一些情况下，光学元件还可以包括延迟层，诸如四分之一波长延迟器。在一些情况下，光学元件的形状可对副像、真实外界景物图像或这两者进行放大。
光学元件的这种透射/反射分布(无论是取决于偏振、取决于波长，还是独立的)能够使用户同时看见基于真实外界的波长和/或偏振态与副像“组合”的真实外界的景物与副像。光学元件本身或与另一个反射元件和/或膜和/或涂层相结合可基于通过弯曲表面的反射和/或从弯曲表面的反射来提供放大的图像。
用于照明眼睛的瞳孔的光学装置以及用于采集眼睛属性的图像传感器(例如，相机)可用作独立的眼睛监视装置，或者其可与头戴式显示器一起使用。用于本发明的头戴式显示器的更多描述包括例如：提交于2014年3月18日、名称为“Low Profile ImageCombiner for Near-Eye Displays”(“用于近眼显示器的薄型图像组合器”)的共同待审美国临时专利申请序列号61/954,690，以及提交于2014年4月9日、名称为“Near Eye DisplaySystem”(“近眼显示系统”)的美国临时专利申请序列号61/977,166。在一个具体实施方案中，用于对瞳孔进行照明的光学装置可邻近数字显示器定位，以便在头戴式显示器中产生组合了真实外界和副像的副像。在一些情况下，数字显示器和图像传感器可被定位在相同的成像装置中，从而进一步减少与可包括眼睛跟踪功能的头戴式显示器一起使用的电子器件。应当理解，本文所述的任何眼睛照明和感测装置均可与头戴式显示器一同使用，该显示器能够提供组合的外界景物和数字图像。
图1A示出了头戴式显示系统100的示意性剖视图，并且图1B示出了图1A中根据本公开的一个方面的光学元件的示意性剖视图。头戴式显示器100包括框架140，该框架可用于将头戴式显示系统定位在用户头部上(未示出)。框架140支撑图像源101，该图像源使用主光线103生成图像。图像源101可包括图像发生器101a和图像传感器101b诸如相机这两者。图像发生器101a可用于创建能够与真实外界景物150组合的副像，如别处所述。头戴式显示器还可包括附连到框架140的光源102，如别处所述。主光线103被导向至光学元件105，该光学元件包括基座透镜113，该透镜具有粘结到四分之一波长延迟器109的第一表面114，该延迟器继而被粘结到线性反射偏振片107。光学元件105还被附连到框架140。
主光线的第一偏振方向光由线性反射偏振片107进行透射，并且线性偏振光被转换为圆形偏振光线115，该圆形偏振光线由置于基座透镜113内的位于第一表面114和相对的第二表面之间的嵌入式反射器111进行反射。反射光线119具有圆形偏振光线115的相反的圆偏振。反射光线119透射通过四分之一波长延迟器109，变成在与第一偏振方向正交的第二偏振方向上的线性偏振，由线性反射偏振片107进行反射，并再次透射通过四分之一波长延迟器109，从而变成在与反射光线119相反的方向上的圆形偏振。所得的光线121由反射器111进行反射，从而变成光线125，再次切换圆偏振的方向。光线125透射通过四分之一波长延迟器109，并且穿过反射偏振片107，从而变成具有第一偏振方向的数字图像光线127。然后，数字图像光线127对于眼睛129可见。反射器111可以是半透反射镜，并且形成部分透射的光线117和123。半透反射镜允许用户看见与显示图像组合的外界景物，如别处所述。
四分之一波长延迟器109是熟知的光学装置，它将线性偏振光转换为圆形偏振光，并且将圆形偏振光转换为线性偏振光。合适的材料的示例包括可购自日本Zeon株式会社(Zeon Corp,Japan)的ZM16-138。膜优选地取向成使得膜的拉伸轴与线性反射偏振片的阻光偏振轴成45度角。在一些情况下，延迟器可以紧邻反射偏振片107设置；然而，在一些情况下，延迟器可相反地紧邻反射器111设置。
半透反射镜可以是二向色反射器，该二向色反射器能够反射至少第一波长范围的光，并且透射其他波长范围的光，或者该半透反射镜可以是宽带半透镜面。在一些情况下，嵌入式反射器111可以是曲面反射器或平面反射器。
图2示出了根据本公开的一个方面的头戴式跟踪装置200的示意性剖视图。图2所示的元件201-250中的每一个对应于图1所示的先前已描述的类似编号的元件101-150。例如，图2所示的框架240对应于图1所示的框架140，等等。在图2中，头戴式跟踪装置200示出了使用光对眼睛229的虹膜的照明，其中光源202(也称作照明器202)发射光从而形成光线束204，然后对具有半透反射镜207表面的光学元件205进行照明。光线束203的至少一部分由半透反射镜207进行反射，从而形成光线束206，光线束206对眼睛229的虹膜进行照明。相机201b形成虹膜的图像，并且该图像可以经过处理以测定眼睛229的一种或多种属性。
眼睛229的这些能够被检测的属性可包括以下项中的一者或多者：眼睛的视角方向、瞳孔的直径和直径变化、眼睑的眨动、眼睛的跟踪对象和眼睛扫视运动。眼睛跟踪参数可包括眼睛转动的速度，以及介于对象的运动与眼睛的运动之间的延迟或相。眼睛扫视运动可包括持续时间、速度和运动图案。
半透反射镜207可由二向色涂层制成，该涂层由一层或多层光学透明的材料构成，利用层与相邻层之间的折射率差异来形成反射。半透反射镜还可由薄型金属涂层诸如铝或银制成。在一些情况下，半透反射镜可由反射偏振片制成。半透反射镜可以在一个或多个方向弯曲，或者可以是平坦的。合适的光学透明材料包括一氧化硅、二氧化硅、氟化镁、氧化铝、二氧化铪、氧化锌、氮化硅、二氧化钛、聚合物层、其他有机或无机材料以及它们的组合。
光源202可发射未偏振光、偏振光、可见光、紫外线、红外线或它们的组合。所有或部分光可以是线性或圆形偏振的。使用偏振光可改变在眼睛上的照明图案(例如，允许图2所示的照明路径或下图3所示的照明路径，或这两者的组合)。
图3示出了根据本公开明的一个方面的头戴式跟踪装置300的示意性剖视图。图3所示的元件301-350中的每一个对应于图1所示的先前已描述的类似编号的元件101-150。例如，图3所示的框架340对应于图1所示的框架140，等等。在图3中，不同的光路以与图1所示的光路的类似方式形成，并包括来自半透反射镜311的圆形偏振光的反射。光源302发射光，从而形成光线束304a，并且至少一部分光线束304a由反射偏振片307进行透射。透射的光线穿过四分之一波长延迟器309至半透反射镜311。由半透反射镜311反射的光线再次穿过四分之一波长延迟器309，从反射偏振片307中反射，再次穿过四分之一波长延迟器309，从半透反射镜311中反射，最后穿过四分之一波长延迟器309，并且穿过反射偏振片307，从而形成光线束306a，光线束306a对眼睛329的虹膜进行照明。
图4示出了根据本公开的一个方面的头戴式跟踪装置400的示意性剖视图。图4所示的元件401-450中的每一个对应于图1所示的先前已描述的类似编号的元件101-150。例如，图4所示的框架440对应于图1所示的框架140，等等。图4示出了光源402的放置的变化。光源402可邻近相机401b放置，并且可通过使用分束器(未示出)与相机视图的中心轴线共线，如本领域中的技术人员已知的。光源402发射光，从而形成光线束404a，并且至少一部分光线束404a由反射偏振片407进行透射。透射的光线穿过四分之一波长延迟器409至半透反射镜411。由半透反射镜411反射的光线再次穿过四分之一波长延迟器409，从反射偏振片407中反射，再次穿过四分之一波长延迟器409，从半透反射镜411中反射，最后一次穿过四分之一波长延迟器409，并且穿过反射偏振片407，从而形成光线束406a，光线束406a对眼睛429的虹膜进行照明。可以使用多光源402以及未偏振光，从而允许例如组合光线束206、306a或406a中的一个或多个进行的照明。
图5示出了根据本发明的一个方面的头戴式跟踪装置500的示意性剖视图。图5所示的元件501-550中的每一个对应于图1所示的先前已描述的类似编号的元件101-150。例如，图5所示的框架540对应于图1所示的框架140，等等。图5示出了另一个变化，其中光源502发射光，从而形成光线束504b，该光线束由光学元件505反射，该光学元件由浸入透镜513中的反射表面511b制成。反射光形成光线束506b，其对眼睛529的虹膜进行照明。由眼睛反射的光形成光线，此光线大约沿着主光线503照至相机501b。反射表面511b可以是反射偏振片。反射偏振片可由双折射的聚合物光学叠堆制成，诸如可购自3M公司(3M Company)的Advanced Polarizing Film(高级偏振膜)、线栅偏振片、胆甾型反射偏振片，或任何其他合适的反射偏振片。
图6示出了根据本公开的一个方面的头戴式跟踪显示系统600的透视图。图6所示的元件601-640和601’-640’中的每一个对应于图1所示的先前已描述的类似编号的元件101-140。例如，图6所示的框架640对应于图1所示的框架640，等等。头戴式跟踪显示系统600包括被定位成将图像光束朝向第一光学元件605投射的第一图像源601，以及被定位成将第二图像光朝向任选的第二光学元件605’投射的任选的第二图像源601’，如别处所述。头戴式跟踪显示系统600还包括被设置成分别将光朝向第一光学元件605和第二光学元件605’投射的第一光源602和任选的第二光源602’，如别处所述。第一光学元件605和任选光学元件605’中的每一个；第一图像源601和任选第二图像源601’；以及第一光源602和任选第二光源602’可被附接到第一框架640和第二框架640’，与一副眼镜类似，该框架可被定位在用户的头部上(未示出)。头戴式跟踪显示系统600还包括将第一光学元件605和第二光学元件605’连接在一起的跨接件645。
应当理解，本文所述的任一眼睛监视系统可以与近眼显示系统结合，该近眼显示系统具有薄膜反射元件，诸如与本申请同一天提交、名称为“Near-Eye Display”(“近眼显示器”)的代理人案卷号为74975US002的共同待审美国专利申请中所述的那些。这些能够被检测的眼睛监视属性可包括以下项中的一者或多者：眼睛的视角方向、瞳孔的直径和直径变化、眼睑的眨动、眼睛的跟踪对象和眼睛扫视运动。眼睛跟踪参数可包括眼睛转动的速度，以及介于对象的运动与眼睛的运动之间的延迟或相。眼睛扫视运动可包括持续时间、速度和运动图案。所描述的薄膜可用于为瞳孔照明器和图像接收光学器件提供反射表面，以及用于为近眼显示器提供反射表面，如本领域的普通技术人员可容易理解的那样。
以下为本公开的实施方案的列表。
项1是一种光学元件，包括：透镜，其具有凹形第一主表面，相对的第二主表面和设置于两者间的嵌入式反射器；与第一偏振方向对准并且邻近凹形第一主表面设置的反射偏振片；以及位于反射偏振片和嵌入式反射器之间的延迟器，该延迟器具有与第一偏振方向成延迟器角度对准的快光轴。
项2是根据项1所述的光学元件，其中延迟器紧邻反射偏振片设置。
项3是根据项1或项2所述的光学元件，其中延迟器紧邻嵌入式反射器设置。
项4是根据项1至项3所述的光学元件，其中延迟器为四分之一波长延迟器，并且延迟器角度为约45度。
项5是根据项1至项4所述的光学元件，其中嵌入式反射器包括半透反射镜。
项6是根据项5所述的光学元件，其中半透反射镜包括二向色反射器，该二向色反射器能够反射至少第一波长范围的光，并透射其他波长范围的光。
项7是根据项5所述的光学元件，其中半透反射镜包括宽带半透镜面。
项8是根据项1至项7所述的光学元件，其中嵌入式反射器为平面反射器。
项9是根据项1至项8所述的光学元件，其中嵌入式反射器是能够准直入射光束的曲面反射器。
项10是一种头戴式显示器，包括：透镜，其具有凹形第一主表面、相对的第二主表面和设置于两者间的嵌入式反射器；与第一偏振方向对准并且邻近凹形第一主表面设置的反射偏振片；位于凹形第一主表面和反射偏振片之间的延迟器，该延迟器具有与第一偏振方向成延迟器角度对准的快光轴；以及被定位成将图像光束朝向凹形第一主表面投射的图像成形装置，该图像光束包括在第一偏振方向上偏振的光，其中图像光束的至少一部分能够被朝向邻近图像成形装置设置的眼睛导向。
项11是根据项10所述的头戴式显示器，其中延迟器紧邻反射偏振片设置。
项12是根据项10或项11所述的头戴式显示器，其中延迟器紧邻嵌入式反射器设置。
项13是根据项10至项12所述的头戴式显示器，其中延迟器为四分之一波长延迟器，并且延迟器角度为约45度。
项14是根据项10至项13所述的头戴式显示器，其中嵌入式反射器包括半透反射镜。
项15是根据项14所述的头戴式显示器，其中半透反射镜包括二向色反射器，该二向色反射器能够反射至少第一波长范围的光，并透射其他波长范围的光。
项16是根据项14所述的头戴式显示器，其中半透反射镜包括宽带半透镜面。
项17是根据项10至项16所述的头戴式显示器，其中嵌入式反射器为平面反射器。
项18是根据项10至项17所述的头戴式显示器，其中嵌入式反射器是能够准直入射光束的曲面反射器。
项19是根据项10至项18所述的头戴式显示器，还包括跟踪装置，该跟踪装置被设置成检测眼睛的视角方向、眼睛瞳孔的直径、眼睛瞳孔的直径变化、眼睑的眨动、眼睛的跟踪对象、眼睛扫视运动或它们的组合。
项20是根据项19所述的头戴式显示器，其中跟踪装置包括：被定位成将光束朝向嵌入式反射器投射的照明器，光束的一部分被反射以对邻近照明器的眼睛进行照明；图像接收装置，其邻近照明器定位并且能够接收被照明眼睛的图像。
项21是一种头戴式跟踪装置，包括：透镜，其具有凹形第一主表面和相对第二主表面；邻近凹形第一主表面设置的半透反射镜；被定位成将光束朝向半透反射镜投射的照明器，光束的一部分由半透反射镜反射，并且能够对邻近照明器定位的眼睛进行照明；以及邻近照明器定位并能够接收从半透反射镜反射的被照明眼睛的图像的图像接收装置。
项22是根据项21所述的头戴式跟踪装置，其中半透反射镜包括二向色反射器，该二向色反射器能够反射至少第一波长范围的光，并透射其他波长范围的光。
项23是根据项21或项22所述的头戴式跟踪装置，其中半透反射镜包括宽带半透镜面。
项24是根据项21至项23所述的头戴式跟踪装置，其中半透反射镜包括与第一偏振方向对准并且邻近凹形第一主表面设置的反射偏振片。
项25是根据项21至项24所述的头戴式跟踪装置，其中图像接收装置能够检测眼睛的视角方向、眼睛瞳孔的直径、眼睛瞳孔的直径变化、眼睑的眨动、眼睛的跟踪对象、眼睛扫视运动或它们的组合。
项26是一种头戴式跟踪显示器，包括：透镜，其具有凹形第一主表面、相对的第二主表面和嵌入式反射器；与第一偏振方向对准并且邻近凹形第一主表面设置的反射偏振片；位于凹形第一主表面和反射偏振片之间的延迟器，该延迟器具有与第一偏振方向成延迟器角度对准的快光轴；被定位成将图像光束朝向凹形第一主表面投射的图像成形装置，该图像光束包括在第一偏振方向上偏振的光，其中图像光束的至少一部分能够被朝向邻近图像成形装置设置的眼睛导向；邻近图像成形装置定位的照明器，该照明器能够将照明器光束朝向反射偏振片投射；以及邻近照明器定位的图像接收装置；其中反射偏振片、延迟器和嵌入式反射器一起能够对邻近照明器定位的眼睛进行照明，图像接收装置能够接收被照明眼睛的图像。
项27是根据项26所述的头戴式跟踪显示器，其中延迟器紧邻反射偏振片设置。
项28是根据项26或项27所述的头戴式跟踪显示器，其中延迟器紧邻嵌入式反射器设置。
项29是根据项26至项28所述的头戴式跟踪显示器，其中延迟器为四分之一波长延迟器，并且延迟器角度为约45度。
项30是根据项26至项29所述的头戴式跟踪显示器，其中嵌入式反射器包括半透反射镜。
项31是根据项30所述的头戴式跟踪显示器，其中半透反射镜包括二向色反射器，该二向色反射器能够反射至少第一波长范围的光，并透射其他波长范围的光。
项32是根据项30所述的头戴式跟踪显示器，其中半透反射镜包括宽带半透镜面。
项33是根据项26至项32所述的头戴式跟踪显示器，其中嵌入式反射器为平面反射器。
项34是根据项26至项33所述的头戴式跟踪显示器，其中嵌入式反射器是能够准直入射光束的曲面反射器。
项35是根据项26至项34所述的头戴式跟踪显示器，其中照明器光束包括与第一偏振方向对准的偏振光束。
项36是根据项26至项35所述的头戴式跟踪显示器，其中被照明眼睛的图像包括眼睛的视角方向、眼睛瞳孔的直径、眼睛瞳孔的直径变化、眼睑的眨动、眼睛的跟踪对象、眼睛扫视运动以及它们的组合。
除非另外指明，否则说明书和权利要求中使用的表示特征尺寸、数量和物理特性的所有数字应当被理解为由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可根据本领域的技术人员使用本文所公开的教导内容寻求获得的期望特性而变化。
本文中所引用的所有参考文献及出版物全文以引用方式明确地并入本文中，但与本发明直接冲突的部分除外。虽然本文已经举例说明并描述了具体实施方案，但本领域的普通技术人员将会知道，在不脱离本公开的范围的情况下，可用多种另选和/或等同形式的具体实施来代替所示出的和所描述的具体实施方案。本专利申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施方案的任何调整或变型。因此，本公开旨在仅受权利要求书及其等同内容的限制。
Claims (36)
1.一种光学元件，包括：
透镜，所述透镜具有凹形第一主表面、相对的第二主表面和设置于两者间的嵌入式反射器；
反射偏振片，所述反射偏振片与第一偏振方向对准并且邻近所述凹形第一主表面设置；和
延迟器，所述延迟器位于所述反射偏振片和所述嵌入式反射器之间，所述延迟器具有与所述第一偏振方向成延迟器角度对准的快光轴。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述延迟器紧邻所述反射偏振片设置。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述延迟器紧邻所述嵌入式反射器设置。
4.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述延迟器为四分之一波长延迟器，并且所述延迟器角度为约45度。
5.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述嵌入式反射器包括半透反射镜。
6.根据权利要求5所述的光学元件，其中所述半透反射镜包括二向色反射器，所述二向色反射器能够反射至少第一波长范围的光，并透射其他波长范围的光。
7.根据权利要求5所述的光学元件，其中所述半透反射镜包括宽带半透镜面。
8.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述嵌入式反射器为平面反射器。
9.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述嵌入式反射器是能够准直入射光束的曲面反射器。
10.一种头戴式显示器，包括：
透镜，所述透镜具有凹形第一主表面、相对的第二主表面和设置于两者间的嵌入式反射器；
反射偏振片，所述反射偏振片与第一偏振方向对准并且邻近所述凹形第一主表面设置；
延迟器，所述延迟器位于所述凹形第一主表面和所述反射偏振片之间，所述延迟器具有与所述第一偏振方向成延迟器角度对准的快光轴；和
图像成形装置，所述图像成形装置被定位成将图像光束朝向所述凹形第一主表面投射，所述图像光束包括在所述第一偏振方向上偏振的光，
其中所述图像光束的至少一部分能够被朝向邻近所述图像成形装置设置的眼睛导向。
11.根据权利要求10所述的头戴式显示器，其中所述延迟器紧邻所述反射偏振片设置。
12.根据权利要求10所述的头戴式显示器，其中所述延迟器紧邻所述嵌入式反射器设置。
13.根据权利要求10所述的头戴式显示器，其中所述延迟器为四分之一波长延迟器，并且所述延迟器角度为约45度。
14.根据权利要求10所述的头戴式显示器，其中所述嵌入式反射器包括半透反射镜。
15.根据权利要求14所述的头戴式显示器，其中所述半透反射镜包括二向色反射器，所述二向色反射器能够反射至少第一波长范围的光，并透射其他波长范围的光。
16.根据权利要求14所述的头戴式显示器，其中所述半透反射镜包括宽带半透镜面。
17.根据权利要求10所述的头戴式显示器，其中所述嵌入式反射器为平面反射器。
18.根据权利要求10所述的头戴式显示器，其中所述嵌入式反射器是能够准直入射光束的曲面反射器。
19.根据权利要求10所述的头戴式显示器，还包括跟踪装置，所述跟踪装置被设置成检测所述眼睛的视角方向、眼睛瞳孔的直径、所述眼睛瞳孔的直径变化、眼睑的眨动、所述眼睛的跟踪对象、眼睛扫视运动或它们的组合。
20.根据权利要求19所述的头戴式显示器，其中所述跟踪设备包括：
照明器，所述照明器被定位成将光束朝向所述嵌入式反射器投射，所述光束的一部分被反射以对邻近所述照明器定位的眼睛进行照明；
图像接收装置，所述图像接收装置邻近所述照明器定位并且能够接收所述被照明眼睛的图像。
21.一种头戴式跟踪装置，包括：
透镜，所述透镜具有凹形第一主表面和相对的第二主表面；
半透反射镜，所述半透反射镜邻近所述凹形第一主表面设置；
照明器，所述照明器被定位成将光束朝向所述半透反射镜投射，所述光束的一部分由所述半透反射镜进行反射并且能够对邻近所述照明器定位的眼睛进行照明；和
图像接收装置，所述图像接收装置邻近所述照明器定位并且能够接收从所述半透反射镜反射的所述被照明眼睛的图像。
22.根据权利要求21所述的头戴式跟踪装置，其中所述半透反射镜包括二向色反射器，所述二向色反射器能够反射至少第一波长范围的光，并透射其他波长范围的光。
23.根据权利要求21所述的头戴式跟踪装置，其中所述半透反射镜包括宽带半透镜面。
24.根据权利要求21所述的头戴式跟踪装置，其中所述半透反射镜包括反射偏振片，所述反射偏振片与第一偏振方向对准并且邻近所述凹形第一主表面设置。
25.根据权利要求21所述的头戴式跟踪装置，其中所述图像接收装置能够检测所述眼睛的视角方向、眼睛瞳孔的直径、所述眼睛瞳孔的直径变化、眼睑的眨动、所述眼睛的跟踪对象、眼睛扫视运动或它们的组合。
26.一种头戴式跟踪显示器，包括：
透镜，所述透镜具有凹形第一主表面、相对的第二主表面和嵌入式反射器；
反射偏振片，所述反射偏振片与第一偏振方向对准并且邻近所述凹形第一主表面设置；
延迟器，所述延迟器位于所述凹形第一主表面和所述反射偏振片之间，所述延迟器具有与所述第一偏振方向成延迟器角度对准的快光轴；
图像成形装置，所述图像成形装置被定位成将图像光束朝向所述凹形第一主表面投射，所述图像光束包括在所述第一偏振方向上偏振的光，其中所述图像光束的至少一部分能够被朝向邻近所述图像成形装置设置的眼睛导向；
照明器，所述照明器邻近所述图像成形装置定位，所述照明器能够将照明器光束朝向所述反射偏振片投射；和
图像接收装置，所述图像成形装置邻近所述照明器定位；
其中所述反射偏振片、所述延迟器和所述嵌入式反射器一起能够对邻近所述照明器定位的眼睛进行照明，所述图像接收装置能够接收所述被照明眼睛的图像。
27.根据权利要求26所述的头戴式跟踪显示器，其中所述延迟器紧邻所述反射偏振片设置。
28.根据权利要求26所述的头戴式跟踪显示器，其中所述延迟器紧邻所述嵌入式反射器设置。
29.根据权利要求26所述的头戴式跟踪显示器，其中所述延迟器为四分之一波长延迟器，并且所述延迟器角度为约45度。
30.根据权利要求26所述的头戴式跟踪显示器，其中所述嵌入式反射器包括半透反射镜。
31.根据权利要求30所述的头戴式跟踪显示器，其中所述半透反射镜包括二向色反射器，所述二向色反射器能够反射至少第一波长范围的光，并透射其他波长范围的光。
32.根据权利要求30所述的头戴式跟踪显示器，其中所述半透反射镜包括宽带半透镜面。
33.根据权利要求26所述的头戴式跟踪显示器，其中所述嵌入式反射器为平面反射器。
34.根据权利要求26所述的头戴式跟踪显示器，其中所述嵌入式反射器是能够准直入射光束的曲面反射器。
35.根据权利要求26所述的头戴式跟踪显示器，其中所述照明器光束包括与所述第一偏振方向对准的偏振光束。
36.根据权利要求26所述的头戴式跟踪显示器，其中所述被照明眼睛的图像包括所述眼睛的视角方向、眼睛瞳孔的直径、所述眼睛瞳孔的直径变化、眼睑的眨动、所述眼睛的跟踪对象、眼睛扫视运动以及它们的组合。
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