CN106170729A - 用于具有多个出射光瞳的头戴显示器的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于显示眼睛可观看的图像的方法，所述图像是由便携式头戴显示器投射的，所述方法包括以下步骤：发射多个光束(206，301)，各光束之间波长不同；将所述多个光束引导至扫描反射镜(205)；根据由所述图像提供的强度信息对所述多个光束中的每个光束进行强度调制，强度由此代表所述图像内的像素值；利用所述扫描反射镜(205)沿两个不同的轴来扫描所述多个光束，以形成所述图像；以及使用用作光束的反射器的全息光学元件(204)将所述多个光束重新引导至所述眼睛，所述重新引导由此取决于光束的波长，以在所述眼睛(210)处为每个光束创建与其它光束的出射光瞳空间分开的出射光瞳(212，304)。

Description

用于具有多个出射光瞳的头戴显示器的方法和设备

技术领域

本发明涉及头戴显示器(HWD)，具体而言，涉及提供了使用具有内置显示功能的眼镜将虚拟图像叠加到正常视觉上的可能性的系统。

背景技术

诸如智能电话等消费移动计算装置的大规模的使用为人与电脑以及周围环境的交互提供了新的可能性。预计下一代移动装置将通过采用与当前的手持便携式显示屏不同的方式显示信息来提供信息。投影显示技术的进步正在使得近眼显示器得以实现，例如，一副能够看穿的眼镜，其具有直接显示给用户的叠加信息。

透视(see through)显示器已经在国防应用当中用了几十年。例如，喷气式战斗机飞行员使用飞机中的平视显示器(HUD)和头盔式显示器(HMD)向处于他/她的视场内的飞行员提供导航信息和其它关键信息。尽管投影技术在不断进步，但是当前在视场与透视HWD的体积和重量之间仍然面临两难境地。在大多数情况下，大的视场(>30-40度)需要大体积的光学设备，这使其难以应用于很多应用。人们引入了外形因子更可接受的较小视场系统，但是对于各种各样的应用乃至日常使用而言，创建具有美观的外形因子的透视显示器的可用实施方式仍是一个难题。

HWD的设计当中的一个主要困难是扩展显示器的所谓的人眼窗口(eyebox)。人眼窗口是针对佩带者眼睛的放置和移动的光学系统容限。其密切对应于光学系统的出射光瞳。HWD中的常规方法是通过各种措施扩展光学系统的出射光瞳。但是，这通常导致更大体积的光学系统。

HWD常常是使用诸如LCOS和OLED面板阵列等微型显示面板来实施的，采用允许佩带者看到微型显示器的远程图像的成像光学设备的形成光瞳或不形成光瞳的布置将所述面板呈现给眼睛。另一种不太常用的方法是视网膜投影。视网膜投影使用扫描元件将图像直接光栅扫描到用户的视网膜上。视网膜投影显示器始自于1980年开发的扫描激光检眼镜(SLO)。该项技术后来被开发成了虚拟视网膜显示器，这项开发是由Tom Furness于90年代在华盛顿州大学的HIT实验室主导的(Thomas A.Furness等于1989年提交的美国专利5162828，题为“Display system for a head mounted viewing transparency”)(ThomasA.Furness等于1992年提交的美国专利5467104，题为“Virtual retinal display”)。此后提交了很多使用基于MEMS的扫描投影仪(即视网膜显示器)的HWD专利。尤其需要指出的是在90年代中晚期最早致力于虚拟视网膜显示器的商业化的华盛顿州大学和Microvision(华盛顿州大学附属机构)所拥有的专利。该项工作所涉及的劳动的主要内容是扩展系统的出射光瞳，其在其它情况下会因为低集光率(etendue)激光源的原因而很小。在专利文献中发现的流行方法是使用衍射或漫射屏幕扩展光束，之后在将光束呈现给眼睛之前对其重新准直(Joel S.Kollin等于1996年提交的美国专利5701132，题为“Virtual retinaldisplay with expanded exit pupil”)。这一方案的缺陷在于光束扩展光学设备带来了具有与其它常规的HWD方法类似的权衡的额外的光学体积。

有很多创建多个和/或可转向的小出射光瞳的方法。这些方法结合眼睛跟踪而使用用于多个人眼窗口位置的激光器阵列(M.Tidwell于1998年提交的美国专利6043799，题为“Virtual retinal display with scanner array for generating multiple exitpupils”)(M.Tidwell于2000年提交的美国专利6204829，题为“Scanned retinal displaywith exit pupil selected based on viewer's eye position”)。还提出了基于眼睛跟踪的具有可转向出射光瞳的系统(John R.Lewis等于1998年提交的美国专利6396461，题为“Personal display with vision tracking”)。这些系统依赖于眼睛跟踪，并且不使用对由多个出射光瞳产生的图像进行统一的方法。

有几种使用全息光学元件(HOE)的HWD实施方式。Takahashi等针对使用HOE和Maxwellian观察装置的系统申请了专利(Hideya Takahashi等于2005年提交的美国专利申请11/576830，题为“Image Display Unit and Electronic Glasses”)，但是这一专利中的系统看起来并未考虑激光扫描投影仪，而是通过空间光调制器的扩展光束。此外，也没有针对复用或多个出射光瞳的讨论。

使用微型显示器连同单层全息图作为合束器的概念也是已知的现有技术——例如美国专利3940204。根据所述工作的相关期刊出版物，描述了在这些系统中存在相当大的像差。这主要是因为在眼睛处需要12-15mm的大出射光瞳。这创建了更大孔隙、“更快的”光学系统，该系统将更加难以对像差进行控制。投影仪的尺寸还与光束的数值孔径以及眼睛位置上的出射光瞳的尺寸成正比。

发明内容

本发明提供了用于使用内置到护目镜中的显示器将图像显示在人的视觉上的方法和设备。

在至少一个实施例中，本发明涉及使用几个元件创建的HWD。1)扫描投影系统，其由受到谐振微机电系统(MEMS)扫描反射镜反射的小集光率源(激光器或发光二极管(LED))构成。对于扫描反射镜的每个位置而言，可以通过光栅扫描在视网膜上形成像素。2)用作半反半透镜的体积全息光学元件(HOE)，即，对来自投影系统的光进行反射从而将光重新引导至眼睛的透明屏。半反半透镜元件执行两项主要功能。其允许来自外界的环境光通过从而向用户提供正常视觉。其还将来自投影仪的扫描光重新引导至眼睛，从而在视网膜上提供所显示的图像。

在至少一个实施例中，本发明涉及用于将多个小出射光瞳置于眼睛上并对它们的位置加以控制的方法。小的分开的出射光瞳的组合创建了更大的有效人眼窗口。替代地，出射光瞳能够针对特定的观视位置而被策略性放置，而不是填满整个视场。

在至少一个实施例中，使用反射全息记录技术来制造半反半透镜，在所述技术中，具有给定光波长和相似强度的两个相干激光光束发生干涉。在给定光波长上，两个光束中的被称为参考光束的光束以扫描投影系统的特性(即与投影机构(setup)匹配的入射角和位置)入射到全息材料上。给定光波长上的被称为对象光束的第二光束入射到全息材料的相对侧上，以产生反射全息图。在一个实施例中，对象光束穿过大聚焦透镜，从而在眼睛处产生反射全息图的焦点。这样做能够将投影系统的出射光瞳置于眼睛的入射光瞳的中心，使得对于给定眼睛位置和注视角度而言可以使投影图像的所有部分都是可视的。在另一个实施例中，可以不将出射光瞳位置置于眼睛的入射光瞳处，而是置于眼睛的旋转中心或者置于眼睛入射光瞳与眼睛旋转中心之间。

此外，在至少一个实施例中，使用相似的感知颜色的几个独立的波长进行全息复用，以创建多个出射光瞳位置。通过使用具有小间隔的多个波长进行全息图的记录和读取，能够创建具有相似颜色的几个出射光瞳位置。通过将点光源的阵列中继成像至眼睛位置，在全息图写入机构中创建了出射光瞳位置，即同时写入的多个对象光束。在至少一个实施例中，这是使用用作点光源的精确布置中的光纤端面实现的。之后，利用放大(缩小)将光纤的点光源布置中继成像至眼睛位置。通过在由HWD中的投影仪“读取”全息图时投射与用于记录的波长相似的波长处的光，创建了多个出射光瞳。在至少一个实施例中，在投影之前在软件中对窄带波长中的每个波长进行单独控制和预处理，以产生对应于它们的各个出射光瞳位置的经过空间偏移和失真补偿的图像。通过这种方式，在眼睛处创建了单个图像。在至少一个实施例中，对直接调制激光器进行光束合并以形成光源。在一个实施例中，对各光束进行同轴合并以呈现至HOE。在另一个实施例中，对具有不同角度的光束进行合并，所述不同角度对应于它们相应的出射光瞳的空间间隔。替代地，在另一个实施例中，对多个LED光源进行光谱和空间滤波，并且对其进行同轴或非同轴光束合并，以形成光源。此外，在另一个实施例中，通过光谱选择性调制器(例如，电吸收或声光调制器)的阵列对诸如白光LED或激光器等宽带光源进行调制。

此外，在另一个实施例中，针对每个出射光瞳位置对红光、绿光和蓝光(RGB)波长进行复用创建了具有多个出射光瞳的全色HWD。这样做需要3倍于出射光瞳位置的数量的可独立控制的源或光带。例如，彩色单出射光瞳设计需要3个可独立控制的光带：一个红色、一个绿色、一个蓝色。具有两个出射光瞳位置的设计需要6个可控波长带：两个红色、两个绿色以及两个蓝色。类似地，具有7个出射光瞳位置的设计将需要21个可独立控制的光带。

在又一个实施例中，打开和关闭多个出射光瞳以降低功耗。眼睛跟踪用于确定在任何给定时刻应当使用哪些出射光瞳。

在另一个实施例中，在使用微型面板显示元件而非扫描反射镜的HWD中创建多个出射光瞳。HOE中的波长复用用于在眼睛处将不同波长的光分开，以创建多个出射光瞳。对各个源的图像预处理用于使不同出射光瞳位置的视在图像(apparent image)对准。

在另一个实施例中，使用HOE半反半透镜中的角度复用在扫描反射镜HWD中创建多个出射光瞳。多个扫描反射镜用于在将光重新引导至多个出射光瞳的HOE处创建入射角的差异。对各个源的图像预处理用于使不同出射光瞳位置的视在图像对准。

在另一个实施例中，在不形成光瞳的HWD中创建多个连续的视场区域，这意味着实质上在HOE半反半透镜处对所投射的光进行准直。不形成光瞳的方案允许更容易地创建大的人眼窗口，但是其视场可能受到HOE半反半透镜的限制。因此，HOE中的复用用于创建多个视场，以扩大总的合并视场。对各个源的图像预处理用于使不同视场的视在图像对准。

在另一个实施例中，扫描反射镜HWD通过在共焦成像装置中检测来自眼睛的反射信号来采集视网膜和眼睛的其它部分的图像。在一个实施例中，通过使检测到的图像与注视角度相关来将该返回信号用于眼睛跟踪。在另一个实施例中，通过针对多个出射光瞳对返回信号强度进行检测和比较来完成对眼睛位置的跟踪，其中，返回信号的比较指示哪一出射光瞳与眼睛最佳对准。

在另一个实施例中，在扫描反射镜HWD中将宽带源划分成多个离散的谱发射带。之后，离散的谱带中的每一个在眼睛处创建独立的且空间分开的出射光瞳。

在本发明的另一个方法中，将窄带漫射元件用作HWD半反半透镜，并且将空间光调制器用作光投射元件，其中，在散射半反半透镜之后使用空间光调制器对光的波前进行相位共轭，从而在眼睛处得到低像差图像。

在另一个实施例中，本发明的HWD用作用于经由眼睛测量生理参数来进行健康监测的非侵入式方法。例如，通过定期对视网膜成像来监测心率、葡萄糖水平、眼压、压力水平、疾病性质或疾病的发作。

本发明适用于HWD的单目实施方式以及双目实施方式二者。除非另行指出，否则描述将涵盖单目布置向双目布置的扩展，其需要复制光学设备并针对两眼进行处理。

本发明不限于HWD。还可以将所描述的方法和装置结构应用于平视显示器(HUD)，即被置于与眼睛相隔较大距离处的透视显示系统。

因此，在第一方面中，本发明提供用于显示眼睛可观看的图像的方法，所述图像是从便携式头戴显示器投射的。该方法包括以下步骤：发射各光束的波长不同的多个光束；将多个光束引导至扫描反射镜；根据由图像提供的强度信息对多个光束中的每个光束的强度进行调制，借此使强度表示图像内的像素值；利用扫描反射镜沿两个不同的轴来扫描多个光束，以形成所述图像；以及使用用作光束的反射器的全息光学元件将多个光束重新引导至眼睛，由此重新引导取决于光束的波长，从而在眼睛处针对每个光束创建与其它光束的出射光瞳空间分开的出射光瞳；

在另一个优选实施例中，发射多个光束的步骤还包括：通过选择要包含到人的视力所觉察的第一给定颜色内的特定谱带中的那些光束的对应波长来创建由多个光束中的确定数量的光束构成的第一捆，其中，第一捆中的光束中的每一个与其出射光瞳相关联，出射光瞳与第一捆的其它光束的出射光瞳空间分开。

在另一个优选实施例中，发射多个光束的步骤还包括：创建光束的第二捆和第三捆，每一捆对应于分别处于人的视力所觉察的第二给定颜色和第三给定颜色内的独立的谱带，其中，在第二和第三捆内，光束分别与第一捆内的光束的出射光瞳相关联，由此针对出射光瞳中的每一个创建了对应于第一、第二和第三给定颜色的用于全色图像的三个光束。

在另一个优选实施例中，用于显示眼睛可观看的图像的方法还包括：针对光束中的每一个向图像施加图像配准和失真校正，从而根据每个光束的出射光瞳的位置使由多个光束产生的显示图像对准。

在另一个优选实施例中，用于显示眼睛可观看的图像的方法还包括：对由多个光束形成的出射光瞳进行空间布置，以形成使眼睛与便携式头戴显示器对准以观看图像的扩大的区域。

在另一个优选实施例中，将多个光束引导至扫描反射镜的步骤还包括：在扫描反射镜处在空间上和角度上对多个光束进行同轴合并，由此通过图像处理对因独立的出射光瞳的定位而在眼睛处产生的光束之间的显著角度差进行校正。

在第二方面中，本发明提供用于显示眼睛可观看的图像的方法，所述图像是从便携式头戴显示器投射的。该方法包括以下步骤：发射各光束的波长不同的多个光束；根据由图像提供的强度信息对多个光束中的每个光束进行强度调制，强度由此表示图像内的像素值；采用用作光束的反射器的光学元件将多个光束重新引导至眼睛，重新引导由此取决于光束的波长，从而在眼睛处针对每个光束创建出射光瞳。

在另一个优选实施例中，发射多个光束的步骤还包括：通过选择要包含到人的视力所觉察的第一给定颜色内的特定谱带中的那些光束的对应波长来创建由多个光束中的确定数量的光束构成的第一捆，其中，第一捆中的光束中的每一个与其出射光瞳相关联，出射光瞳与第一捆的其它光束的出射光瞳是空间分开的。

在另一个优选实施例中，发射多个光束的步骤还包括：创建光束的第二和第三捆，每捆对应于分别处于人的视力所觉察的第二给定颜色和第三给定颜色内的独立的谱带，其中，在第二和第三捆内，光束分别与第一捆的光束的出射光瞳相关联，由此针对出射光瞳中的每一个创建了对应于第一、第二和第三给定颜色的用于全色图像的三个光束。

在另一个优选实施例中，用于显示眼睛可观看的图像的方法还包括：针对光束中的每一个对图像进行图像配准和失真校正，从而根据每个光束的出射光瞳的位置对多个光束所产生的显示图像进行对准。

在另一个优选实施例中，用于显示眼睛可观看的图像的方法还包括：对由多个光束形成的出射光瞳进行空间布置，以形成使眼睛与便携式头戴显示器对准以观看图像的扩大的区域。

在另一个优选实施例中，在对多个光束进行重新引导的步骤中，光学元件是全息光学元件。

在本发明的第三方面中，本发明提供了产生用于显示眼睛可观看的图像的方法中的光学元件的方法，所述方法包括：利用与多个光束的波长密切匹配的多个全息图写入激光器来记录全息光学元件，并由此在全息图记录机构中对写入激光器中的每一个的光束进行空间布置，以匹配接下来将由便携式头戴显示器创建的出射光瞳的空间取向。

在另一个优选实施例中，利用光纤对写入激光器中的每一个的光束进行空间布置。

在另一个优选实施例中，用于显示眼睛可观看的图像的方法还包括：对应于在给定时刻眼睛的位置来使多个光束中的与出射光瞳中的每一个相关联的选定的光束无效，眼睛跟踪信息由此用于使失配的出射光瞳无效，以降低装置功耗。

在另一个优选实施例中，用于显示眼睛可观看的图像的方法还包括：对由多个光束形成的出射光瞳进行空间布置，每个独立的光束由此形成多个空间分开的出射光瞳，从而创建不能被眼睛同时看到的多个感兴趣区，每个感兴趣区具有较大的总视场内的子集视场以及相关联的多个出射光瞳。

在另一个优选实施例中，对多个光束中的每个光束的强度进行调制的步骤包括从面板微型显示器进行投射。

在另一个优选实施例中，用于显示眼睛可观看的图像的方法还包括：将多个光束引导至扫描反射镜；以及利用扫描反射镜沿两个不同的轴对多个光束进行扫描，以形成图像。

在另一个优选实施例中，用于显示眼睛可观看的图像的方法还包括：在空间上和角度上对多个光束进行同轴合并，由此通过图像处理对因独立的出射光瞳的定位而在眼睛处产生的光束之间的显著角度差进行校正。

在另一个优选实施例中，用于显示眼睛可观看的图像的方法还包括：使在光束之间具有角度差的多个光束合并，使得出射光瞳处的光束的其中之一的角度含量(angularcontent)与光束中的任何其它光束的角度含量大体上相似，由此降低对图像处理的要求，继而通过图像处理对因独立的出射光瞳的定位而在在眼睛处产生的光束之间的剩余角度差进行校正。

在另一个优选实施例中，利用在远心透镜的出射光瞳处对光束进行合并的远心透镜来将在光束之间存在角度差的多个光束合并，由此对发射在各光束之间波长不同的光束的多个光源的二维布置进行准直和合并。

在另一个优选实施例中，通过用于光束的另一远心透镜、衍射光学元件和孔隙的组合来对发射在各光束之间波长不同的光束的多个光源进行空间和光谱滤波。

在另一个优选实施例中，衍射光学元件是以下元件的其中之一：衍射光栅、体积全息元件。

在第四方面中，本发明提供了用于显示眼睛可观看的图像的方法，图像是从便携式头戴显示器投射的。该方法包括以下步骤：发射多个光束；将多个光束中的每一个引导至对应的空间分开的扫描反射镜；根据由图像提供的强度信息对多个光束中的每个光束进行强度调制，强度由此表示图像内的像素值；利用多个空间分开的扫描反射镜中的对应的扫描反射镜沿两个不同的轴对多个光束中的每个光束进行扫描，以形成图像；以及使用用作光束的反射器的光学元件将多个光束重新引导至眼睛，重新引导由此取决于光束在光学元件上的入射角，从而针对每个光束在眼睛处创建与其它光束的出射光瞳空间分开的出射光瞳。

在另一个优选实施例中，用于显示眼睛可观看的图像的方法还包括：针对光束中的每一个对图像实施图像配准和失真校正，从而根据每个光束的出射光瞳的位置对由多个光束产生的显示图像进行对准。

在另一个优选实施例中，用于显示眼睛可观看的图像的方法还包括：对由多个光束形成的出射光瞳进行空间布置，以形成使眼睛与便携式头戴显示器对准以观看图像的扩大的区域。

在另一个优选实施例中，发射多个光束的步骤还包括：将具有独立的可见波长的三个光束引导至每个扫描反射镜并使其合并，以形成出射光瞳的其中之一，由此为出射光瞳则的每一个创建用于全色图像的三个光束。

在另一个优选实施例中，在对多个光束进行重新引导的步骤中，光学元件是全息光学元件。

在第五方面中，本发明提供了产生用于显示眼睛可观看的图像的方法中的光学元件的方法。所述方法还包括：利用与多个光束的波长密切匹配的多个全息图写入激光器来记录全息光学元件，并且由此在全息图记录机构中对写入激光器中的每一个的光束进行空间布置，以匹配接下来由便携式头戴显示器创建的出射光瞳和投影源点的空间和角度取向。

在另一个优选实施例中，利用光纤对写入激光器中的每一个的光束进行空间布置。

在另一个优选实施例中，用于显示眼睛可观看的图像的方法还包括：对应于在给定时刻的眼睛的位置使多个光束中的与出射光瞳中的每一个相关联的选定的光束失效，眼睛跟踪信息由此用于使失配的出射光瞳失效，以降低装置功耗。

在另一个优选实施例中，用于显示眼睛可观看的图像的方法还包括：对由多个光束形成的出射光瞳进行布置，每个独立的光束由此形成多个空间分开的出射光瞳，以创建不能由眼睛同时观看的多个感兴趣区，每个感兴趣区具有较大的总视场内的子集视场和相关联的多个出射光瞳。

在第六方面中，本发明提供用于显示眼睛可观看的图像的方法，图像是从便携式头戴显示器投射的。该方法包括以下步骤：发射多个光束；根据由图像提供的强度信息对多个光束中的每一个进行强度调制，强度由此表示图像内的像素值；使用用作光束的反射器的光学元件将多个大体上准直的光束重新引导至眼睛而不创建光学出射光瞳，重新引导由此取决于光束的入射角和波长，从而创建多个子集视场，这些视场的总体在眼睛处构成总视场。

在另一个优选实施例中，在对多个光束进行重新引导的步骤中，光学元件是全息光学元件。

在第七优选实施例中，本发明提供了产生用于显示眼睛可观看的图像的方法中的光学元件的方法，所述方法还包括：利用与多个光束的波长密切匹配的多个全息图写入激光器来记录全息光学元件，并且由此在全息图记录机构中对写入激光器中的每一个的光束进行空间布置，以匹配接下来由便携式头戴显示器创建的子集视场的空间和角度取向。

在另一个优选实施例中，用于显示眼睛可观看的图像的方法还包括：针对光束中的每一个对图像实施图像配准和失真校正，从而使子集视场的图像对准，以采用连续方式整体形成总视场。

在另一个优选实施例中，在发射多个光束的步骤中，将每个子集视场的具有独立的可见波长的三个光束合并，由此为子集视场中的每一个创建用于全色图像的三个光束。

在第八方面中，本发明提供用于通过从便携式头戴显示器投射并采集图像来从眼睛获得生理信息的方法。该方法包括以下步骤：发射各光束之间的波长不同的多个光束；通过透镜将多个光束聚焦到针孔孔隙上；将多个光束从针孔孔隙引导至扫描反射镜；根据由图像提供的强度信息对多个光束中的每一个进行强度调制，强度由此表示图像内的像素值；利用扫描反射镜沿两个不同的轴对多个光束进行扫描，以形成所述图像；使用眼镜片上的用作光束的反射器的光学元件将多个光束重新引导至眼睛，重新引导由此取决于光束的波长和角度，从而在眼睛处为每个光束创建与其它光束的出射光瞳空间分开的出射光瞳；将重新引导的多个光束聚焦到眼睛的表面上；通过系统将经聚焦的多个光束从眼镜的所述表面反射到针孔孔隙；以及使经反射的多个光束通过光束分裂元件被引导至探测器，强度由此表示多个光束聚焦的眼睛表面处的共焦图像。

在另一个优选实施例中，通过用于将光传输至不同位置的光纤来代替针孔孔隙。

在另一个优选实施例中，经由从眼睛表面的散射来将与多个光束相同的波长处的光反射回来。

在另一个优选实施例中，经由眼睛表面的荧光作用来将与多个光束相比发生了偏移的波长处的光反射回来。

在另一个优选实施例中，经由眼睛表面的拉曼散射来将与多个光束相比发生了偏移的波长处的光反射回来。

在另一个优选实施例中，经由眼睛表面处的非线性现象来将与多个光束相比发生了偏移的波长处的光反射回来。

在另一个优选实施例中，光学元件是体积全息光学元件。

在第九方面中，本发明提供用于通过从便携式头戴显示器投射并采集图像来从眼睛获得生理信息的方法。该方法包括以下步骤：发射各光束之间的波长不同的多个光束；通过透镜将多个光束聚焦到多模双包层光纤的单模芯上；将多个光束从多模双包层光纤引导至扫描反射镜；根据由图像提供的强度信息对多个光束中的每一个进行强度调制，强度由此表示图像内的像素值；使用扫描反射镜沿两个不同的轴对多个光束进行扫描，以形成图像；使用眼镜片上的用作光束的反射器的光学元件将多个光束重新引导至眼睛，重新引导由此取决于光束的波长和角度，从而在眼睛处为每个光束创建与其它光束的出射光瞳空间分开的出射光瞳；将重新引导的多个光束聚焦到眼睛的表面上；通过系统将多个光束从眼睛的所述表面反射回到多模双包层光纤的多模芯；以及将经反射的多个光束通过光束分裂元件引导至探测器，强度由此表示多个光束聚焦的眼睛表面处的共焦图像。

在另一个优选实施例中，经由眼睛表面的散射将与多个光束相同的波长处的光反射回来。

在另一个优选实施例中，经由眼睛表面的荧光作用来将与多个光束相比发生了偏移的波长处的光反射回来。

在另一个优选实施例中，经由眼睛表面的拉曼散射来将与多个光束相比发生了偏移的波长处的光反射回来。

在另一个优选实施例中，经由眼睛表面处的非线性现象来将与多个光束相比发生了偏移的波长处的光反射回来。

在另一个优选实施例中，光学元件是以下元件的其中之一：相息图(kinoform)衍射光学元件、具有频率选择响应的弯曲反射元件。

在另一个优选实施例中，用于从眼睛获得生理信息的方法还包括：将多个光束聚焦到眼睛的不同深度，光束的波长由此确定对眼睛的哪些结构成像。

在另一个优选实施例中，不可见的红外光用于共焦测量，以便避免干扰头戴显示器的可见功能。

在另一个优选实施例中，在探测器处通过滤波器将光束分开，滤波器可以是下述列表中的任一个：干涉型滤波器、分色滤波器、全息滤波器。

在另一个优选实施例中，用于从眼睛获得生理信息的方法还包括：采集眼睛的多个特定注视图像(gaze specific image)，以实现眼睛跟踪校准；对眼睛的多个特定注视图像进行处理，以进行特征提取；形成使注视位置与所提取的特征相关的数据库；采集眼睛的新的特定注视图像，以进行注视确定；使该图像的特征与数据库中的图像相关；以及通过与特定注视角相关来对图像进行分类，从而进行实时的眼睛跟踪。

在另一个优选实施例中，用于从眼睛获得生理信息的方法还包括：从在眼睛处构成多个出射光瞳的多个光束采集反射强度，眼睛的注视位置由此与在眼睛处构成空间分开的出射光瞳的多个光束的相对强度相关。

在第十方面中，本发明提供用于显示眼睛可观看的图像的方法，所述图像是从便携式头戴显示器投射的。该方法包括以下步骤：发射至少一个宽谱光束；将至少一个光束的谱切分成多个离散的谱发射带，每个谱发射带通过没有光的谱区分开；将多个光束引导至扫描反射镜；根据由图像提供的强度信息对至少一个光束中的每一个进行强度调制，强度由此表示图像内的像素值；利用扫描反射镜沿两个不同的轴对至少一个光束进行扫描，以形成图像；以及使用用作光束的反射器的全息光学元件将至少一个光束重新引导至眼睛，重新引导由此取决于光束的波长含量和角度，从而针对离散谱发射带中的每一个在眼睛处创建与其它离散谱发射带的出射光瞳空间分开的出射光瞳。

在另一个优选实施例中，用于显示眼睛可观看的图像的方法还包括：通过色散光学元件在扫描反射镜之后使至少一个光束偏转，色散光学元件由此将至少一个光束按角度分成对应于离散谱发射带的数量的多个光束。

在另一个优选实施例中，用于显示眼睛可观看的图像的方法还包括：发射具有处于红色范围、绿色范围和蓝色范围内的分开的谱带的三个光束，使得来自每个颜色范围的一个光束的组合创建所感知的色调，并且色调取决于三个合并光束的相对强度。

在另一个优选实施例中，用于显示眼睛可观看的图像的方法还包括：对由多个光束形成的多个出射光瞳进行空间布置，以形成眼睛能够与光学系统对准以观看所显示的图像的扩大的区域。

在第十一方面中，本发明提供用于显示眼睛可观看的图像的方法，所述图像是从便携式头戴显示器投射的。该方法包括以下步骤：从相干源发射至少一个光束；将至少一个光束引导至具有提供第一波前的相位图的空间光调制器；使用眼镜片上的漫散射反射器来将至少一个光束重新引导至眼睛，第一波前由此受到漫散射反射器的反射，以提供进入眼睛的第二波前并且在视网膜上形成低像差图像。

在另一个优选实施例中，相干光源是表面发射激光器(VCSEL)、点光源LED或激光二极管。

在另一个优选实施例中，眼镜片由第一和第二透明的光学联结的元件构成，其中，第一元件具有第一折射率，其具有散射可见光的一面和光滑、不发生散射、并且上面沉积有反射涂层的第二面，第二元件具有与第一折射率相等的第二折射率，并且具有光滑并且不发生散射的面。

在另一个优选实施例中，空间光调制器是仅相位调制器、仅幅度调制器或者二者。

在第十二方面中，本发明提供了用于通过投射并采集眼睛可观看的图像来从眼睛获得生理信息的方法，所述图像是从便携式头戴显示器投射的，所述方法包括以下步骤：从相干源发射至少一个光束；将至少一个光束引导至具有提供第一波前的相位图的空间光调制器；使用眼镜片上的漫散射反射器将至少一个光束重新引导至眼睛，第一波前由此受到漫散射反射器的反射，从而提供进入眼睛的第二波前并在眼睛表面上形成低像差斑点。通过向SLM提供适当的相位图而对视网膜上的斑点进行扫描；以及按照共焦方式恢复由视网膜漫反射的光，以形成所述表面的图像。

在另一个优选实施例中，所述表面是视网膜。

在第十三方面中，本发明提供了用于显示眼睛可观看的图像的系统，所述图像是从便携式头戴显示器投射的。系统包括：用于实施显示眼睛可观看的图像的方法的多出射光瞳头戴显示系统；以及采集场景并向头戴显示器提供场景的经处理的图像的安装在前面的照相机。

在另一个优选实施例中，经处理的图像可以是以下中的任一个：(a)缩放图像，(b)边缘增强图像，(c)对比度增强图像，(d)失真图像，或者(a)到(d)的组合。

在另一个优选实施例中，眼睛在中央凹窝中具有光受体损失，例如，患有与年龄有关的黄斑变性的眼睛。

在另一个优选实施例中，在围绕眼睛的中央凹窝的外围区中显示经处理的图像。

在另一个优选实施例中，眼睛在围绕中央凹窝的外围区中具有光受体损失。

在另一个优选实施例中，在中央凹窝中显示经处理的图像。

在第十四方面中，本发明提供了用于将便携式头戴显示器投射的图像重新引导至眼睛的装置。该装置包括：在透明热聚合物基质中的嵌入的小相息图反射镜，以将至少一个入射光束局部重新引导至眼睛；以及相息图反射镜上的薄膜反射涂层，其具有光谱和角度选择性，从而允许来自投影仪的至少一个光束在眼睛处分成多个出射光瞳，同时允许来自外界的大量环境光通过该图层抵达眼睛。

在第十五方面中，本发明提供了用于向双眼显示双目图像的系统，所述图像是从两个便携式头戴显示器投射的。该系统包括：处于一副眼镜的每一侧上的多个出射光瞳投影模块；处于两个眼镜片上的多个出射光瞳全息反射器；基于从眼睛反射的光的用于双眼的眼睛跟踪系统；采集用户前面的场景的前向照相机；以及通过以来自眼睛跟踪系统的信息为基础对双目图像做出改变而生成的三维图像。

在第十六方面中，本发明提供了用于在多出射光瞳头戴显示器中的投影仪与眼镜片全息光学元件之间创建并保持对准的方法。该方法包括以下步骤：在刚性材料连接部上使投影仪与全息光学元件对准，所述刚性材料连接部在结构上保持光学元件之间的位置和角度；以及将刚性结构附接并定位在一副常规眼镜上。

在另一个优选实施例中，常规眼镜是非验光眼镜或太阳镜，或者是验光眼镜或太阳镜。

在另一个优选实施例中，将刚性材料连接部放置并附接在常规眼镜的内侧或外侧上。

将在下文的具体实施方式中结合附图来进一步解释本发明的这些及其它方面。

附图说明

图0.1是示出了现有技术装置的图示；

图1A是根据本发明的实施例的硬布线单目头戴显示器的图；

图1B是根据本发明的实施例的无线单目头戴显示器的图；

图2A是根据本发明的实施例的利用单出射光瞳来对准至眼睛的扫描视网膜显示器的光学示意图；

图2B是图2A的光学示意图，其中，眼睛发生了旋转并且未与单出射光瞳对准；

图3A是根据本发明的实施例的利用通过波长复用形成的两个出射光瞳的其中之一来对准至眼睛的扫描视网膜显示器的光学示意图；

图3B是图3A的光学示意图，其中，眼睛发生了旋转并且与通过波长复用形成的两个出射光瞳中的另一个对准；

图4A是对与两个出射光瞳相关的两个图像分量之间的偏移进行了预处理的投影图像的图示；

图4B是将投射在半反半透镜上的针对两个不同出射光瞳的两个相同像素在视网膜上合并成一个单像素的扫描视网膜显示器的光学示意图；

图4C是根据本发明的实施例的在利用图4A所示的图像预处理来对准图像的情况下在视网膜上同时感知的来自两个出射光瞳的图像的图示；

图4D是扩大的人眼窗口和图像预处理的演示，其中，利用与模仿义眼的聚焦透镜结合的旋转照相机来获取图片；

图5是根据本发明的实施例的具有两个出射光瞳的扫描视网膜显示器的光学示意图以及出射光瞳布置与人眼窗口叠加的相关联的图示；

图6是根据本发明的三个不同实施例的出射光瞳布置与人眼窗口叠加的三个示例的图示；

图7是根据本发明的实施例的体积全息元件的波长选择性的图示；

图8是根据本发明的实施例的使用三个不同中心波长的针对三个出射光瞳的同时全息图写入机构的光学示意图；

图9A是根据本发明的实施例的使用衍射元件的同轴光谱合束器的光学示意图；

图9B是根据本发明的实施例的使用二向色分束器的同轴光谱合束器的光学示意图；

图9C是根据本发明的实施例的使用体积全息元件的同轴光谱合束器的光学示意图；

图9D是根据本发明的实施例的使用体积全息元件和外腔的同轴光谱合束器的光学示意图；

图10是根据本发明的实施例的用于由两个不同波长的源形成两个出射光瞳的使用光束的角度间隔的护目镜框架上的扫描视网膜显示器的光学示意图；

图11是根据本发明的实施例的使用非同轴合并的光束的扫描投影模块的光学示意图；

图12示出了根据本发明的四个不同实施例的用于形成空间分开的出射光瞳和非同轴合并的光束的不同波长的光源布置的四个示例；

图13A是根据本发明的实施例的用于形成空间分开的出射光瞳和非同轴合并的光束的在三个位置中的每个位置处具有红色、绿色和蓝色发射器的光源的图示；

图13B是在眼睛处的未经处理(左侧)的和经过使图像对准的预处理(右侧)的来自图13A的光源的视在图像的图示；

图14是根据本发明的实施例的利用来自红色、绿色和蓝色光源的非同轴合并光束的扫描投影模块的光学示意图；

图15是根据本发明的实施例的在反射中具有额外的空间和光谱滤波的利用非同轴合并光束的扫描投影模块的光学示意图；

图16是根据本发明的实施例的使用图15的投影模块的单目扫描光束头戴显示器的图；

图17是根据本发明的实施例的使用图15的投影模块的双目扫描光束头戴显示器的图；

图18是根据本发明的实施例的在透射中具有额外的空间和光谱滤波的利用非同轴合并光束的扫描投影模块的光学示意图；

图19是根据本发明的实施例的使用全息滤波元件的利用非同轴合并光束的扫描投影模块的光学示意图；

图20是根据本发明的实施例的利用通过波长复用形成的三个出射光瞳的其中之一而对准至眼睛的基于微面板显示器的投影的头戴显示器的光学示意图；

图21A是根据本发明的实施例的使眼睛与两个独立的出射光瞳的其中之一对准的扫描视网膜显示器的光学示意图，所述两个独立的出射光瞳具有利用单个波长创建的独立的视场；

图21B是根据本发明的实施例的使眼睛与两个独立的出射光瞳中的另一个对准的扫描视网膜显示器的光学示意图，所述两个独立的出射光瞳具有利用单个波长创建的独立的视场。

图21C是根据本发明的实施例的使眼睛与两个独立的出射光瞳的其中之一对准的扫描视网膜显示器的光学示意图，所述两个独立的出射光瞳具有利用两个波长创建的略微重叠的视场；

图21D是根据本发明的实施例的使眼睛与两个独立的出射光瞳的其中之一对准的扫描视网膜显示器的光学示意图，所述两个独立的出射光瞳具有利用两个波长创建的显著重叠的视场；

图21E是根据本发明的实施例的使眼睛与两个独立的出射光瞳的其中之一对准的扫描视网膜显示器的光学示意图，所述两个独立的出射光瞳具有利用两个角度分开的源创建的独立的视场。

图21F是根据本发明的实施例的使眼睛与两个独立的出射光瞳的其中之一对准的扫描视网膜显示器的光学示意图，所述两个独立的出射光瞳具有利用在角度上被分离和分开的单个源创建的独立的视场；

图22A是具有两个扫描反射镜以创建两个独立的出射光瞳的扫描视网膜显示器的俯视光学示意图；

图22B是具有两个扫描反射镜以创建两个独立的出射光瞳的扫描视网膜显示器的侧视光学示意图；

图23是根据本发明的实施例的使用具有一个中心波长的角度复用的针对三个出射光瞳的同时全息图写入机构的光学示意图；

图24A是用于使用角度复用为不形成光瞳的头戴显示器创建三个分立的视场的同时全息图写入方法的光学示意图；

图24B是不形成光瞳的头戴显示器的两个角度复用全息图的衍射效率和衍射角度的图示；

图25是用于使用波长复用为不形成光瞳的头戴显示器创建三个分立的视场的同时全息图写入方法的光学示意图；

图26是根据本发明的实施例的扫描投影单目头戴显示器的图；

图27是根据本发明的实施例的包括视网膜的共焦成像的扫描投影头戴显示器的光学示意图；

图28是根据本发明的实施例的包括任意眼睛表面的共焦成像的扫描投影头戴显示器的光学示意图；

图29是根据本发明的实施例的使用利用衍射光栅分开的附加波长的包括眼睛的共焦成像的扫描投影头戴显示器的光学示意图；

图30是根据本发明的实施例的使用利用二向色分束器分开的附加波长的包括眼睛的共焦成像的扫描头戴显示器的光学示意图；

图31是来自检眼镜的视网膜图像；

图32是针对三个不同注视方向的单个视网膜的三个图像的组；

图33是根据本发明的实施例的眼睛跟踪方法的方框图；

图34是根据本发明的实施例的使用来自不同出射光瞳的相对共焦强度的眼睛跟踪方法的图示；

图35是根据本发明的实施例的包括照相机的扫描投影单目头戴显示器的图；

图36是根据本发明的实施例的用于显示从头戴显示器上的照相机收集到的数据的方法的图示；

图37是根据本发明的实施例的使用透明材料中的嵌入的窄带相息图反射镜的半反半透镜的光学示意图；

图38是根据本发明的实施例的使用分离的光谱源和全息半反半透镜中的波长复用以创建多个出射光瞳的扫描投影头戴显示器的光学示意图；

图39是根据本发明的实施例的使用分离的光谱源、衍射光栅和全息半反半透镜中的波长复用以创建多个出射光瞳的扫描投影头戴显示器的光学示意图；

图40是根据本发明的实施例的包括照相机的扫描投影双目头戴显示器的图；

图41是根据本发明的实施例的附接至刚性护目镜框架的内侧的扫描投影双目头戴显示器的图；

图42是根据本发明的实施例的附接至刚性护目镜框架的外侧的扫描投影双目头戴显示器的图；以及

图43是根据本发明的实施例的包括利用双包层光纤的视网膜的共焦成像的扫描投影头戴显示器的光学示意图。

具体实施方式

本说明书中描述的技术、设备、材料和系统可以用于实施基于扫描投影仪和全息半反半透镜的HWD，并且还能够应用于平视显示器(HUD)，即被放置在与眼睛相隔较大距离处的透视显示系统。

在本发明的至少一个实施例中，头戴显示器使用扫描反射镜投影仪直接在用户的视网膜上创建扫描图像。使用半反半透镜元件将扫描反射镜的出射光瞳置于眼睛的入射光瞳处，所述半反半透镜元件可以是但不限于全息光学元件(HOE)。除了将显示器光朝向眼睛反射之外，半反半透镜还起着将来自外界的光有效率地透射至眼睛的作用，从而允许将显示添加到自然视觉上。这经常被称为“增强现实”，或有时被称为“混合现实”。此外，所描述的发明允许通过使HOE倍增以创建多个出射光瞳来有效地扩展人眼窗口，这些出射光瞳被布置为模仿扩大的人眼窗口。

图1A和图1B示出了本发明的两种可能的实施例。图1A是示出了与扫描显示器集成的简单轻便的护目镜的本发明的可能的实施例的图。一层全息材料被涂覆到眼镜101的镜片的其中之一上。在至少一个实施例中，HOE可以是涂覆在镜片上并且接下来被全息记录的光聚合物，或者在另一个实施例中，可以将光聚合物嵌入到(即，夹在)眼镜片的两个表面之间。于是，全息材料用来将显示器光重新引导到眼睛中，同时透射来自外界的光。在护目镜的接近用户太阳穴的一个臂中，扫描反射镜或面板微显示器投影仪102将图像投影到全息半反半透镜101上。在一个实施例中，在通过接插线104连接至护目镜的小盒子103中将光源、功率电子设备和驱动器电子设备单独地或者一起从头部移开，可以通过可移除连接器105在眼镜处将接插线104拆下。将这些部件从头部移开的优点在于使护目镜简单、轻便、分立，在美观上有吸引力并且在社会上可接受。此外，护目镜能够与独立的模块断开连接，从而允许用户向他人表明个人显示装置是否正在工作。这一点在社会背景下是有吸引力的特征，考虑到消费者头戴显示器可能还包括声音和视频记录装置，而这些装置可能与个人隐私和社会交往发生冲突。替代地，在部件紧密集成的其它实施例中，可以将光源、功率部件和驱动器部件全部置于护目镜内。图1B是另一可能的实施例的图，其中，光源、功率电子设备和驱动器电子设备完全包含在护目镜106内。此外，在其它实施例中，可以在两个眼镜片上使用两组投影仪和HOE来按照双目形式将光投射到两只眼睛上。

在至少一个实施例中，如图2A所示，光行进通过光学系统。图2A是针对扫描反射镜212的单个出射光瞳的基于扫描投影的头戴显示器的光学布置的示意图。具有至少一个波长的光206入射到扫描反射镜205上，扫描反射镜205扫描有角度的光束207，光束207具有被调制为对应于数字图像的强度。在至少一个实施例中包括夹在两个外部保护层202与203之间的经过记录的全息材料201的全息半反半透镜204将投射的光207反射成衍射光208，衍射光朝向向前注视的眼睛209的眼睛入射光瞳210的中心。这里，视线211的视平线与扫描反射镜212的出射光瞳的中心对准。该布置的限制在于眼睛的旋转容限。图2B显示眼睛能够转动出单个出射光瞳的视野。像这样，单个出射光瞳布置适用于小视场显示器，其中，用户对准其眼睛以看到所显示的图像。在图2B中，视线211的视平线与单个出射光瞳212没有对准。全息半反半透镜204将投射的光朝向向前注视的眼睛的入射光瞳的中心反射，但是眼睛的入射光瞳210与出射光瞳212之间的不匹配使图像不能被看到。

在本发明的至少一个实施例中，多个出射光瞳有效地扩展系统的人眼窗口。图3A和图3B示出了多个出射光瞳布置的示例，其中，在接近眼睛的两个空间分开的位置上创建了两个出射光瞳。在图3A和图3B中，为简单起见示出了两个出射光瞳，但是可以在二维布置中使用附加的出射光瞳。多个出射光瞳可以用于为眼睛创建更大的有效人眼窗口，并且还允许眼睛扫描大FOV图像。在至少一个实施例中，利用不同波长的光对全息元件进行复用创建了多个出射光瞳。体积全息元件表现出“选择性”，这意味着针对一个光波长和入射角度所写入的全息图独立于针对完全不同的波长或入射角度所写入的另一全息图。通过这种方式，能够使用具有不同中心波长或入射角度的源来产生不存在串扰的多个独立的出射光瞳，因此产生扩大的有效人眼窗口。此外，能够利用就人的感知而言具有相似颜色的分开的波长来创建多个出射光瞳。例如，可以使用中心波长足够不同的几个不同的红色光源来创建几个出射光瞳位置。所需的分开取决于HOE的用于避免串扰的光谱选择性。图3A是沿纵轴的两个出射光瞳212和304的光学布置的示意图，两个出射光瞳是由具有不同波长的两个光束206和301的全息复用创建的。这些光束受到扫描反射镜205的反射，扫描反射镜205扫描具有被调制为对应于数字图像的强度的有角度的光束207和302。全息半反半透镜204将投射的光207和302反射成衍射光208和303，所述衍射光朝向眼睛平面处的两个出射光瞳位置212和304，从而为眼睛旋转提供了容限。这里，视线的视平线211与中央出射光瞳212的中心对准。图3B是沿纵轴的两个出射光瞳的光学布置的示意图，其中，视线的视平线211发生旋转，但是仍然采集来自出射光瞳的其中之一304的光。

在利用本发明中描述的全息方法创建多个出射光瞳时，对于与不同出射光瞳的光的不同角度含量对应的不同波长，来自扫描反射镜的特定位置(等价于图像的像素)的光将出现在视网膜上的不同位置。在图4所示的至少一个实施例中，通过对针对与每一个体出射光瞳对应的每个波长投射的图像进行预处理来对该差异加以校正。在对各个光源进行独立控制时，扫描反射镜的每个位置能够针对与出射光瞳的偏移位置对应的不同波长的源投射独立的像素数据。如图4A所示，用于横向偏移的出射光瞳的所需图像处理主要是不同波长的源中的每一个的投射图像之间的相对图像偏移。还可以应用附加的几何校正，以例如对失真进行校正。在进行了适当调整之后，来自不同波长和不同出射光瞳位置的图像将重合，从而在视网膜上形成单个图像。图4是使不同出射光瞳的图像在视网膜上对准所需的偏移预处理和图像配准的图示。在本示例中，图4A示出了来自垂直布置的两个不同出射光瞳的两个图像401和402。通过如图4A所示投射相互偏移的图像401和402，在视网膜上产生了单个视在图像403，如图4C所示。观察图4B，对于每个出射光瞳，像素404和405满足同一图像像素的信息。通过以与两个对应的出射光瞳的分开距离相似的分开距离将像素404和405投射到半反半透镜上，使像素404和405在视网膜上合并成一个单个像素406。实际系统可以具有跨越2个维度的附加偏移。实际系统还可以得益于对图像的进一步预处理，以校正诸如失真等非线性，从而改善图像的对准。图4D示出了对扩大的人眼窗口和图像预处理的演示。将具有对应于单个出射光瞳的单个波长分量的图像407投射到半反半透镜上，半反半透镜反过来将图像反射回到与模仿义眼的聚焦透镜结合的摄像机中。图片408是利用与单个出射光瞳对准的照相机拍摄的，而图片409是利用与单个出射光瞳部分未对准的照相机拍摄的，并且图片410是利用与单个出射光瞳进一步未对准的照相机拍摄的。图片408、409和410表明，由于照相机与单个出射光瞳未对准，所投射的图像消失。将具有对应于另一出射光瞳的与图像407不同的波长分量的图像411与图像407一起投射到半反半透镜上，半反半透镜反过来将图像反射回到与模仿义眼的聚焦透镜结合的照相机中，其中，所述另一出射光瞳与从图像407获得的出射光瞳不同。图片412是利用与图像407的出射光瞳对准的照相机拍摄的，而图片413是利用与图像407和408的出射光瞳部分未对准的照相机拍摄的。图片414是利用与单个出射光瞳进一步未对准、但是与图像408的出射光瞳对准的照相机拍摄的。图片412、413和414证明可以通过使用多个出射光瞳来扩大人眼窗口。

图5是各个出射光瞳如何与头戴显示器的“人眼窗口”关联的图示。在该示例中，图3A和3B的系统被示为具有两个出射光瞳。每个出射光瞳212和304为眼睛创建了旋转容限，其中能够在光进入到眼睛的入射光瞳210的同时看到图像。在出射光瞳位于眼睛的入射光瞳处时，每一个体人眼窗口501和503的尺寸近似等于眼睛的入射光瞳210的尺寸。在该图中，使用两个出射光瞳创建在垂直方向上无缝扩大的有效人眼窗口。在眼睛处创建的多个出射光瞳的数量和几何布置可以存在很大的变化范围，并且很多种组合都是可能的。图6是利用多个出射光瞳502做出的三种可能的布置的图示。由于增加了具有附加的源波长的更多出射光瞳502，由多个出射光瞳的覆盖范围覆盖的人眼窗口501得到改善，从而接近较大的合成出射光瞳601的覆盖范围。示出若干示例性布置以强调屏幕上的特定位置，例如中心和拐角(3个、5个和7个位置)。尽管示出了小的且空间分开的出射光瞳502，但是每个出射光瞳的对应人眼窗口501(被示为较大的黑色圈)要比各个出射光瞳大，并且其大致是眼睛的入射光瞳的尺寸。如果与每个出射光瞳位置相关联的各个人眼窗口彼此重叠，那么可以使总的有效人眼窗口连续，而在可视图像空间中没有间隙。各个出射光瞳被示为小圆，但是其可能存在一定的尺寸范围，取决于扫描光束的尺寸。本发明包括但不限于这些布置。对于较大视场的系统，最期望的解决方案可以是充分覆盖期望的人眼窗口的大量出射光瞳，即，图6中的5个和7个出射光瞳。为了使人眼窗口的填充因数最大化，可以将不同的出射光瞳布置在三角形点阵内。替代地，可以通过明确选择多个出射光瞳覆盖人眼视力和眼睛旋转的哪些部分来得到更加简单的解决方案。例如，就2个出射光瞳而言，可以使用单个拐角和眼睛旋转的中心。这对于在利用中心视力和周边视力可视的人的视场的一角中显示信息是有用的。出射光瞳在视场内可以不重叠，或者它们可以重叠。

只要全息图具有足以避免相邻信道之间的串扰的选择性，就可以对体积全息图进行有效的波长复用。可以通过控制材料的折射率变化和材料的厚度对全息图的选择性进行调谐。相对于记录光而言，该选择性既适用于重构光的波长，又适用于重构光的入射角。在复用头戴显示器的设计中，在被用作头戴显示器时，在选择性与对全息图记录与读取之间的光谱和角度未对准的容限之间存在权衡。图7示出了通过分析数学模型所计算的与横坐标中的波长相比的纵坐标中的全息半反半透镜的衍射效率，图7是制作于光聚合物中的体积全息元件的波长选择性的图示。在该示例中，在红光中的三个中心波长上复用记录了三个全息图，所述波长为以附图标记701表示的643nm、以附图标记702表示的658nm和以附图标记703表示的671nm，其中使用0.0075的模型化的折射率变化和60μm的全息图厚度。所记录的全息图示出高波长选择性704、705和706，以用于低串扰读取。在该模拟中，与全息图的每侧成0°角和45°角的两个平面波记录了全息图。接下来以45°角读取全息图。所考虑的折射率为1.5。根据选择了三个红色波长的该模型化的示例，对于16μm的光聚合物，串扰为大约16％，但是对于较厚的60μm的光聚合物，串扰降至<1％。在本发明的又一个实施例中，可以通过使用红色、绿色和蓝色光源将显示器制成全色的。对于全色显示器，所需要的独立控制的光带的数量是期望的出射光瞳位置的数量的三倍。例如，一个出射光瞳需要3个光带，并且7个出射光瞳需要21个光带。

在本发明的至少一个实施例中，使用图8所示的光学全息记录机构来记录全息半反半透镜。该机构在弯曲的HOE上创建反射全息图。图8是头戴显示器中的被示为具有三个波长的全息写入机构的示意图，所述三个波长具有相似的颜色但是具有针对三个出射光瞳位置829的不同的中心波长801、802、803，三个出射光瞳位置相对于全息材料824与眼睛并置。在通过半波板804、805、806之后，利用偏振分束器807、808、809将来自激光器的光束分开，并通过聚焦光学器件813、814、815、816将分开的光束耦合到光纤817、818、819、820中。对象光束830通过透镜827和825，受到反射镜828的反射，并在穿过全息材料824并聚焦在出射光瞳位置829处之前穿过偏振器826。参考光束831穿过透镜821和823、偏振器822，并在穿过全息材料824之前受到反射镜832的反射。在参考光束831中，合并了所有的激光波长，并使用扫描投影仪的入射角度和位置将所有的激光波长呈现给HOE。在对象光束830中，将激光耦合到各个光纤中，所述光纤被空间布置，并通过HOE而被中继成像，从而在眼睛位置处创建多个出射光瞳。尽管示出了三个激光源，但是可以针对附加的波长对所述机构进行比例调整。可以将图8的记录机构用作“同时”记录机构，在这种机构中同时写入复用的全息图。同时记录在全息效率均匀性和一次性记录时间表方面具有优点。替代地，本发明的其它实施例可以对复用全息图使用顺序记录，其中，一个接一个地完成多次记录。另一种方法是利用一个波长或一组波长记录每个全息胶片，并且接下来将胶片彼此重叠放置。

在头戴显示器的至少一个实施例中，对不同波长的光源进行同轴光束合并，以用于从扫描投影仪进行投影。图9A是对具有不同中心波长902、903、904、905、906的多个LED或光源进行光束合并的衍射方法的示意图。这些源可以包含在单个受控源901内。透镜907在横向分开的光束被衍射元件908反射之前对所述光束聚焦，其用来使不同波长的光束在被透镜909聚焦以获得准直输出910之前被共同对准。图9B是用于具有不同中心波长912、913、914、915、916的准直光源的二向色合束器的示意图。使用二向色分束器917对来自不同波长的光源的准直光束进行共同对准，以获得准直输出918。图9C是不同波长的准直光源的体积全息合束器的示意图。通过体积全息元件924对具有不同波长919、920、921、922、923的光源进行共同对准，以获得轴向合并的光束925。图9D是使用外腔创建多波长激光源的体积全息合束器的示意图。源926、927、928、929、930中的每一个都具有抗反射涂层，以避免在其内腔中产生激光并入射到全息合束器931上。相反，外部的部分反射反射镜932形成了用于所有源的腔，以获得准直输出933。该方案的优点是降低了对温度变化的敏感度。

在至少一个实施例中，本发明涉及具有波长分开的光源的头戴显示器，所述光源按照非同轴方式被合并，以在来自每个源的光离开扫描微反射镜之后这些光之间创建相对角度偏移。可以在全息半反半透镜中对来自具有适当分开的波长的独立源的光进行波长复用，以在眼睛处产生空间分开的出射光瞳(并且等同地产生空间分开的人眼窗口)。如果对来自各个源的光进行同轴合并，则需要很大的预处理数字图像偏移来在眼睛处对来自不同出射光瞳的视在图像进行对准。然而，如果使用附加的角度间隔来代替通过创建光学偏移而在眼睛处使视在图像对准所需的大的预处理图像偏移中的大多数，那么取决于投影光学器件的光学校正和光学对准的精确度，几乎且有可能完全消除数字预处理图像偏移。在光学失真的不完美校正或不完美对准的情况下，可以使用小的相对偏移和相对图像翘曲(预补偿失真校正)来使不同出射光瞳的图像对准，从而为眼睛形成良好对准的单个视在图像。该方案的优点是节省了在需要显著的大预处理图像偏移时损失的像素和图像面积。图10示出了创建了两个出射光瞳1005和1006的护目镜框架上1001的基于扫描投影仪的头戴显示器。在该图示中，两个出射光瞳都包含在眼睛209的单个大入射光瞳210内。通过扫描投影仪1002对具有不同中心波长的两个独立的源进行扫描，创建了偏移光束，所述偏移光束被复用全息半反半透镜204反射至眼睛209。针对两个波长，通过实线和虚线示出了两个源的主光线1003和1004。示出了三个反射镜扫描位置，它们代表扫描范围的中心和极限。可以通过对图像的独立预处理来校正两个图像之间出现的由光学器件所产生的略微错位或失真的差所引起的错位。尽管为简单起见在两个维度内针对两个波长示出了这种布置，但是可以利用三维布置对该布置进行直接扩展，以获得附加的出射光瞳(波长)。

在至少一个实施例中，用于创建非同轴合并的光源的源合并器由空间分布的光源的整体和远心合并器透镜组成，远心合并器透镜将远心透镜的与扫描微反射镜重合的出射光瞳处的源合并。图11示出了使具有预定角度的多波长源合并以将其呈现至全息图的光学设备。在该图示中示出了具有不同中心波长的两个源1101和1102。将所述源准确地放置并布置在单个平面上，使得通过远心透镜1103将它们的空间位置转换成角度间隔，所述远心透镜的出射光瞳与扫描微反射镜1104并置。在受到微反射镜1104反射之后，光1105行进至投影透镜(未示出)，以对用于呈现至全息图半反半透镜的光进行聚焦，使得所述光被准直到或近似准直到眼睛处。独立的源之间的角度被设计为使得将来自每个出射光瞳的不同图像对准到眼睛处所需的预处理图像偏移最小化。利用精确对准对源进行布置，使得源的取向在离开微反射镜之后创建必要的角度间隔，以使图像处理偏移最小化。这些源可以被布置成多种取向，所述取向包括但不限于图12所示的取向。图12示出了可以与图11的设备一起使用的四种可能的源布置。在这种情况下，每个源发射器1201可以具有相似的视在颜色，例如红色，但是其在波长上与相邻发射器分开，或者可以例如是红色、绿色和蓝色的组合，如图13A所示。在至少一个实施例中，源可以是表面安装发射器，例如但不限于具有不同波长的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、LED、超发光LED(SLED)、或谐振器LED(RCLED)，可以使用精确拾取和放置方法使这些发射器在单个电子封装中精确对准。在另一个实施例中，使用单片制造方法创建宽带源并对其进行空间布置，并且然后使用晶片级光谱滤波器和光学器件对宽带源进行修改，以收窄其带宽。此外，在至少一个实施例中，可以通过在单个电子封装中针对每个出射光瞳位置紧密排列红色、绿色和蓝色源来创建全色出射光瞳。图13A示出了本发明的将图12的角度偏移源扩展到全色的实施例。如图12的最左边的示例中所示，发射器整体1202被示为具有三个分开的发射器位置1301、1302、1303。对于每个发射器位置，紧密布置红色、绿色和蓝色(RGB)发射器，以大致形成单个发射器位置。作为例示，发射器位置1301由红色发射器1304、绿色发射器1305和蓝色发射器1306构成。附加的RGB波长形成了其它分开的发射器1302和1303，以最终创建三出射光瞳合成人眼窗口。该示例中的所有发射器都应当在波长上相互分开，以允许独立控制以及在复用全息半反半透镜中的低串扰。图13B示出了针对单个人眼窗口的略微偏移的RGB发射器如何在眼睛处创建略微角度偏移的扫描，以在视网膜上产生图像1307。为了合并这些图像以用于人类观看者，可以使用图像预处理将图像对准到具有扩大的合成人眼窗口1305的单个视在彩色图像中。在另一个实施例中，使用二向色合束器来合并红色、绿色和蓝色光源。图14示出了用于使用棱镜二向色合束器1408对来自三个面板1401、1402和1403的多波长源进行非同轴合并的光学设备。该光学布置尤其适用于合并红色、绿色和蓝色(RGB)面板。在该示例性实施例中，源1101、1102、1404、1405、1406、1407被示为在不同中心波长处针对每个面板具有两个源的构造。源被准确地放置并布置在单个有效平面上，使得它们的空间位置通过远心透镜1103被转换成角度间隔，远心透镜1103的出射光瞳与扫描微反射镜1104并置。在受到扫描反射镜1104的反射之后，光1409行进至投影透镜(未示出)，以对要呈现给全息图半反半透镜的光进行聚焦，使得光被准直或近似准直到眼睛处。独立的源之间的角度被设计为使得将来自每个出射光瞳的不同图像对准到眼睛处所需的预处理图像偏移最小化。

在又一个实施例中，使用具有相对较大的光谱带宽的光源：例如LED。为了避免来自全息半反半透镜的串扰，可能需要光谱滤波，以降低每个发射器的带宽。在至少一个实施例中，这可以使用光谱滤波部分实现，光谱滤波部分例如但不限于图15所示的实施方式。在该布置中，由源1501和1502构成的源阵列可以是如图12或图13先前所描述的，然而该源将在两次通过透镜并被衍射光栅1504反射之后首先被再次成像到空间滤波遮罩1505上。通过对源布置、透镜、衍射光栅和遮罩进行联合优化，能够在图15的左手边示出的非同轴合并器所需的空间布置中的遮罩处有效率地产生光。此外，在至少一个实施例中，可以使光源尺寸远大于滤波遮罩中的孔隙。其目的在于，以降低的功率效率为代价来降低光学组件的对准敏感度。图15示出了用于对光束进行非同轴合并和投影的光学设备，其包括图11的角度合并器、以及光谱和空间带宽滤波部分。替代地，可以将光谱和空间滤波部分应用于图14的RGB合并器。空间和光谱带宽部分避免了在使用更多宽带源(例如LED和谐振腔LED)时产生的串扰。在波长和位置上分开的光源1501、1502向透镜1503并且然后向衍射光栅1504投射光，以使来自每个发射器的光在角度上分散开，并且然后使用有孔遮罩1505对共轭图像进行空间和光谱滤波。在有孔遮罩之后，图11的角度合并器如前所述地对光束进行合并。可以通过将组件安装在护目镜的腿内来将图15所示的光源实施方式紧凑地实施到护目镜内。图16示出了使用图15的角度源合并器以及空间和光谱滤波器的概念性单目HMD布置。该布置还包括全息半反半透镜1602和投影透镜1603。在另一个实施例中，图17示出了使用图15的角度源合并器以及空间光谱滤波器1601、1701中的两个的概念性双目HMD布置。该布置还包括处于每个眼镜片上的两个全息半反半透镜1602、1702以及两个投影透镜1603、1703。在另一个实施例中，可以在透射布置而非反射布置中完成光谱和空间滤波实施方式，例如但不限于图18所示的实施方式。与图15相比，图18的光学构造不是利用反射光栅的折叠双通道，而是单线传输布置。在波长和位置上分开的光源1501、1502投射到透镜1801并且然后到透射衍射光栅1802，以使来自每个发射器的光在角度上分开，并且然后在所述光由透镜1803聚焦以在有孔遮罩1505上进行共轭成像时对其进行空间和光谱滤波。在有孔遮罩之后，图11的角度合并器如前所述地对光束进行合并。此外，在具有光谱滤波的光源发射器的又一个实施例中，可以使用复用反射全息元件，以在宽带源发射的光受到扫描反射镜反射之前对其执行光谱滤波，例如但不限于图19所示的实施方式。在图19中，在波长和位置上分开的光源1501、1502投射到透镜1901并且然后到复用反射体积全息图1902。来自HOE 1902的衍射光束在被传送到扫描反射镜1104并且然后到有孔滤波器1903之前被所记录的体积全息图光谱滤波。也可以通过光栅倾斜来调整光的方向。

在至少一个实施例中，具有利用全息元件创建的多个出射光瞳的本发明涉及使用微显示器面板而不是扫描反射镜投影系统创建的头戴显示器。面板微显示器被诸如LED或激光光源等源照射，并朝向眼睛投射，以在视网膜上形成微显示器的共轭图像。该全息半反半透镜元件执行两个主要功能。其允许来自外界的环境光通过，从而向用户提供正常视觉。其还将来自投影仪的扫描光重新引导至眼睛，以在视网膜上提供图像。在本发明中，与现有技术(见图2，美国专利4940204)相比，形成合成出射光瞳的多个小光束的引入降低了光束的集光率。这具有两种显著的效果：

1)其降低了投影光学器件的尺寸，使HWD更小、更轻。这可以通过检查图2并考虑较小的数值孔径对从投影仪到全息图的光的影响来看出。

2)其降低了系统的光学像差，因为降低数值孔径提高了光学性能。

在与美国专利4940204相关的公开文献中，描述了即使对优化全息图记录和投影光学器件做出了很大的努力，但是所述系统由于降低图像质量的像差而无法执行到高标准。通过急剧降低光束尺寸(例如，缩小10倍)，能够更好地控制这些像差，以获得高质量图像。这需要扩大人眼窗口，这是如上文所述地通过波长或偏移复用以在眼睛位置创建多光束出射光瞳来实现的。在至少一个实施例中，使用场序制彩色LCOS微显示器将不同波长的光投射到全息图上，以创建多个出射光瞳。不同颜色的源被合并并被呈现给微显示器。微显示器按顺序遍历各个颜色，使得投射所有波长的时间构成一个视频帧。这需要微显示器按照至少等于(波长数量)*(期望的视频速率)的速率进行刷新。然后，微显示器显示针对每个波长显示偏移和失真校正图像，使得各图像合并，以由于视觉暂留而在眼睛处形成单个图像(见图4)。此外，在至少一个实施例中，使用简单的眼睛跟踪系统来择优激活与眼睛最佳对准的出射光瞳。其优点是在使用场序制颜色时降低所需的微显示器刷新速率和光源的功耗，因为在任何时刻只需显示单个出射光瞳的波长的子集。在至少一个实施例中，用于将光从微显示器传输至全息图的投影光学器件使用倾斜、偏移的非球面非旋转对称光学元件来对离轴投影和全息图反射形成的像差进行预补偿。类似地，全息图记录机构(如图8中的简化构造所示)将利用倾斜、偏移的非球面非旋转对称光学元件来优化全息图，以获得HWD中的具有低光学像差的读出。投影光学器件和全息图记录的联合优化减少了布置的像差，以在视网膜上形成低像差高质量的图像。在又一个实施例中，使用诸如OLED等光发射面板。这里，像素结构(不管针对不同发射颜色是堆叠的还是并排的)创建了在眼睛处创建多个出射光瞳所需的多个波长。对相似波长像素中的每组进行独立控制，以产生用于投影到全息图上并且随后投影到用户眼睛上的适当偏移且失真预补偿的图像，以使用不同波长形成单个视在单色或彩色图像。图20示出了利用面板微显示器而非扫描投影仪的多出射光瞳布置。通过投影光学器件2003将来自投影模块2001内的微显示器2002的光投射到复用全息屏幕204上。对全息屏幕204进行波长复用，以使每个波长分开，以创建多个出射光瞳，如图3到图7中所述。通过如图4所示地对图像进行预处理来在眼睛处创建单个图像。投影光学器件2003由将光呈现至全息元件204所需的光学元件的布置构成，使得全息元件以低像差将近似准直的光朝向眼睛反射。投影透镜的这些光学元件由透镜、反射镜、形式自由的元件、偏移和倾斜元件、非球面透镜和反射镜、非轴对称透镜和反射镜以及棱镜构成，但不限于此。三个光场位置2004被示为从投影仪投射。在从全息反射器204反射之后，三个角度分开的光束2005、2006、2007在眼睛209处形成空间分开的出射光瞳。

在多出射光瞳头戴显示器的另一个实施例中，本发明涉及用于将两个或更多出射光瞳置于眼睛处的系统和方法，其中，对出射光瞳的位置加以控制，以使得

1)至少一个出射光瞳提供与轴上透视视觉子显示叠加的图像；

2)至少一个出射光瞳在相对于正常视觉大体上离轴的“瞥视”子显示中提供单独且独立的图像。在至少一个实施例中，HOE被划分成代表分开的视场的两个或更多区域，其中至少一个区域将光重新引导到提供轴上透视子显示的出射光瞳中，并且至少另一个区域将光重新引导到提供瞥视离轴子显示的出射光轴中。

图21A示出了使眼睛与两个分开的出射光瞳的其中之一对准的扫描视网膜显示器的光学示意图，两个分开的出射光瞳具有利用单波长光束2101创建的分开的视场。单波长光束入射到扫描反射镜205上，扫描反射镜205将总视场划分成轴上透视显示光2104和瞥视离轴光2105。两组光束都受到全息反射器204的反射，以形成会聚光捆2102和2103，它们在眼睛209处形成两个出射光瞳。在该图中，使眼睛视线211与轴上透视光2102对准。图21B示出了与图21A相同的系统，但是眼睛视线211与瞥视离轴光2103对准。在另一个实施例中，轴上透视子显示和离轴瞥视子显示两者的可用视场是部分重叠的。图21C示出了扫描视网膜显示器的光学示意图，其中，眼睛视线与一个光捆2108对准，光捆2108具有与利用双波长光束2106和2107创建的第二光捆2109部分重叠的视场。由不同波长或波长组来记录并读取HOE实现了轴上透视子显示与离轴瞥视子显示之间的区分。在图21D所示的又一个实施例中，可以使轴上透视子显示视场与离轴瞥视子显示视场两者重叠，以允许用户在直视前方的同时看到离轴瞥视子显示中的警报。在至少一个实施例中，MEMS扫描反射镜在足够宽的角度范围内投射光，以显示轴上透视子显示和离轴瞥视子显示两者的信息，如图21A-图21D所示。光在HOE上的照射位置和光波长二者区分出光被重新引导到哪一出射光瞳中，因而区分出光被发送至哪一子显示。在至少一个实施例中，将多个光源(每个子显示一个光源)放置到不同位置上。图21E示出了扫描视网膜显示器的光学示意图，其中眼睛与一个光捆2114对准，光捆2114具有与利用在位置和角度上分开的两个光源2112和2113创建的第二光捆2115分开的视场。从一个特定位置产生的光照射到HOE上，以便用于轴上透视子显示，而在另一位置上产生的光照射到HOE上，以便用于离轴瞥视子显示。在图21F所示的另一个实施例中，回转反射镜2120修改照射在扫描反射镜205上的光的入射角度，由此修改光束在HOE上的照射位置。对于回转反射镜的给定位置，然后可以将光发送到提供离轴瞥视子显示的区域，或者可以将光发送到提供轴上透视子显示的区域。

在本发明的另一个实施例中，多个扫描反射镜通过从全息光学元件进行反射来在眼睛位置处创建多个出射光瞳。在至少一个实施例中，对全息图进行角度复用以获得多个出射光瞳。图22A是利用两个扫描反射镜(只有一个可以看到)2201的扫描视网膜显示器的俯视光学示意图，其中，来自两个不同角度的光从全息图204反射回到眼睛209，以在眼睛处创建两个分开的出射光瞳。图22B示出了与图22A相同的系统的侧视图，其中，两个扫描反射镜2201和2202创建两个分开的光束2203和2204，它们又在眼睛位置处或接近眼睛位置处创建两个独立的出射光瞳。图23示出了用于记录图22A的多出射光瞳头戴显示器的角度复用全息图的机构。该图在许多方面与图8的波长复用实施例相似。将所使用的每个激光分离成两个光束，它们将在全息胶片中发生干涉。在参考分支上，每个光源从不同位置向全息图发送光，以在全息胶片的每个位置处产生不同的入射角。对于具有足够选择性的全息材料和足够远的入射角，将入射到当时被记录的HOE的位置上的每个光束搅拌(stir)到其对应的人眼窗口内。在图23中，使用具有同一中心波长2301的三个激光器来产生具有在头戴显示器中与眼睛并置的三个出射光瞳的全息半反半透镜。在通过半波板2302之后，利用偏振分束器807、808、809分离来自激光器的光束，并通过聚焦光学器件2303将光束耦合到光纤2304中。对象光束2306通过透镜827和825，被反射镜828反射，并在通过全息材料824并聚焦在出射光瞳位置829上之前通过偏振器826。参考光束2305在全息半反半透镜824之前通过偏振器2307。在参考光束2305中，使用代表多个扫描反射镜的入射角将激光呈现给HOE。在对象光束2306中，激光被空间呈现给HOE，以在眼睛位置处创建多个出射光瞳。尽管示出了三个激光源和复用角度，但是可以针对附加的复用全息图对机构进行缩放。

在本发明的另一个实施例中，入射到HOE的每一侧的两个准直或近似准直的光束发生干涉，从而为不形成光瞳的头戴显示器产生反射全息图。该头戴显示器被称为不形成光瞳，因为在光学系统中不形成中间图像。该类型的布置的结果是视场受到限制，并且更加难以增大人眼窗口。就不形成光瞳的系统而言，可以使用入射到全息胶片的相对侧上的两组或更多组准直或近似准直的光束来增大视场，这些光束在全息胶片上发生干涉以产生图24A所示的反射全息图。每组由先前从同一相干光源分离的两个光束构成。在至少一个实施例中，对HOE进行角度复用。图24A示出了三组光束。参考光束2407、2408、2409由透镜2406来准直并入射到全息材料2405上。对象光束2401、2402、2403由透镜2404来准直并入射到全息材料2405的相对侧上。此时记录的全息半反半透镜将产生位置2410将位于全息材料之下的出射光瞳。在至少一个实施例中，有可能通过使读出与不同的复用HOE的衍射角匹配来极大地减少串扰。在图24B中，示出了用于由分析数学模型所计算的两个不同全息半反半透镜的作为波长的函数的衍射效率2413、2414。还示出了作为入射角的函数的两个全息图的衍射角2411、2412。由于全息图在入射角到衍射角上密切匹配，因而它们能够被合并，以获得连续的总视场。对于利用45°的参考光束角所记录的全息半反半透镜和利用55°的参考光束角所记录的全息半反半透镜，衍射角都是3.304°。在另一个实施例中，对不形成光瞳的HOE进行光谱复用而非角度复用。图25示出了利用三个复用波长的反射全息图写入布置。对象光束由具有三个不同波长的三个空间上分开的源2501、2502、2503构成，它们由透镜2504来准直，并被引导到全息材料2505上。参考光束包含被合并成单个记录光束2407的三波长光束，单个记录光束2407由透镜2506来准直，并且然后入射到全息材料2505上。当时记录的全息半反半透镜将产生位置2508将位于全息材料之下的出射光瞳。

图26示出了位于护目镜框架2601上的扫描投影单目头戴显示器的图。从光源2604发射的光在被半反半透镜元件204反射至眼睛209之前被扫描反射镜和聚焦光学器件2603投射。显示器光被聚焦在视网膜2602上。

在本发明的另一个实施例中，使用从眼睛反射并在扫描投影系统内的探测器中采集的光来测量眼睛的共焦图像。图27描述了基于共焦显微镜布置的成像系统。通过针孔2705上的第一透镜2706来聚集来自包含一个或多个光源的光源2709的准直光。来自针孔的光由透镜2704来准直，并通过扫描反射镜2703在两个维度上扫描所述光。所述光被引导至并通过透镜2702抵达适合的全息半反半透镜204，全息半反半透镜204可以是体积全息元件、衍射光学元件(起伏的(relief))或者具有频率选择响应的弯曲反射元件。对于给定的扫描角，光被聚焦在视网膜2602上的一个点上。该光的一部分以相同的波长通过荧光反应、拉曼散射而被往回反射(瑞利散射)，或者通过非线性现象而被往回反射(与入射光存在频率偏移)。该光束传播回到2701，并受到全息半反半透镜的反射。在频率偏移光的情况下，全息半反半透镜在偏移频率下具有适当的反射。由于针孔的图像是光在视网膜上聚焦的点，因而针孔将阻挡那些并非来自该焦点的光。这是共焦显微技术的基本原理。其允许排除杂散光和来自空间的其它部分的散射光。在针孔之后，反射光在经过分束器2707的反射之后被引导至探测器2708。然后通过利用扫描元件对入射光束进行扫描来逐点形成视网膜的图像。图28示出了图27的变型。全息半反半透镜对特定波长的入射光束进行反射并将该光束2801聚焦到眼球的不同部分中(不同于视网膜)。这样，可以对眼睛的其它结构成像。例如，可以将光束2801聚焦在眼睛的晶状体上。一些研究表明，晶状体的自发荧光(蓝光激励)水平是糖尿病的指标。可佩戴方法允许以非侵入方式连续地监测晶状体的自发荧光，并且因此为医师提供有价值的信息。图29示出了又一个变型。通过使用红外波段内的附加波长，可视头戴显示器不会被扰乱(在该情况下半反半透屏幕不修改可见光)。通过一个专用探测器2903来获得视网膜2602的图像，并且利用另一探测器2902来获得其它部分(例如晶状体)的图像，因为信息在不同颜色中被光谱编码，因而能够被单独检测。使用衍射类型分束器来将红外光和可见光2901分开。图30是另一种实施方式，其中在探测器处通过光束分裂滤波器3001将光束分开，光束分裂滤波器可以是干涉型、二向色型、全息型，但不限于此。在本发明的共焦成像方法的另一个实施例中，使用光纤光学器件代替图30所示的针孔孔隙。利用光纤4301，光源被转移与扫描反射镜不同的位置上，以允许护目镜的设计更具灵活性。光纤自身是下述列表的选项之一：单模光纤、多模光纤或者包括单模芯和较大的多模芯二者的双包层光纤。就双包层光纤而言，使用单模芯将光以高分辨率投射到HWD中，而多模芯用于收集共焦返回信号。这允许将较大的孔隙用于共焦返回信号，从而在不牺牲显示分辨率的情况下提高信噪比。上述实施例用于对眼睛成像。由于能够对视网膜成像，因而能够识别静脉并且因此能够使用多种方式测量诸如血细胞流量、心率和动脉血压(收缩压、平均值和舒张压)等参数。可以通过使用在心脏泵送血液时出现的变化的血量所引起的小反射率变化来测量心率，但不限于此。由于成像系统是共焦的，因而能够使精确区域(例如静脉)与眼睛的另一部分隔离，从而以高信噪比提取出信号。由于与收缩舒张压变化相关联的动脉搏动的原因，血红蛋白浓度随时间变化。因此，对来自静脉的背向散射光的光谱光学测量是获得动脉搏动的另一种方法。可以通过使用两个或更多波长(例如，在HWD发明的红光范围内的两个可用波长)来获得光谱测量。

在本发明的另一个实施例中，将眼睛的扫描共焦图像用于眼睛跟踪。图31是利用标准检眼镜(适于眼睛的显微镜)拍摄的视网膜的图像。可以清晰地看到静脉。图32示出了通过诸如图27到图30所述的那些等检眼镜看到的视网膜的不同部分。不同图像3201、3202、3203对应于不同注视方向。可以看出，图像所具有的特征对注视方向是唯一的。可以从图像提取作为唯一标记、并且可以用作表示注视方向的图像的唯一标识、并且因此能够用作眼睛跟踪器的特征。特征不限于视网膜的图像，眼睛的随眼睛方向移动的其它部分的图像也可以充当唯一注视标识。图33是描述眼睛跟踪方法的方框图：首先系统具有校准例程。可以每隔一段时间完成校准。周期取决于特征的变化速率，并因此受到调整。校准包括在用户注视不同方向时抓拍视网膜图像。例如，要求用户凝视头戴显示器上显示的并且发生移动以覆盖一组注视方向的特征。然后从图像中提取特征，以形成降低数量的唯一图像标识。形成对应于每个注视方向的特征的数据库。通过将图像减少到唯一特征，可以使用较小的存储器。因而，通过首先抓拍图像(视网膜或其它部分)并且然后将该图像与数据库中的图像相关来执行眼睛跟踪。然后分类算法确定数据库中的哪个图像与最新抓拍的图像最为相似。一种方法是选择具有最高相关性的图像。视网膜解剖结构的另一项用途是使眼内压(IOP)与视神经盘位移相关。已经表明视神经盘位移与眼压有关。因此通过连续监测视神经盘(图31中接近视神经的区域)的位置，能够提取出与眼压有关的信息，而眼压则是青光眼的主要诱因。

在另一方法中，通过监测眼睛反射的对应于每个出射光瞳的光的强度来实现眼睛跟踪。在示出了3出射光瞳(但不限于此)的图34的示例中，只有对应于一个出射光瞳3401的光通过了眼睛入射光瞳3402，对应于其它出射光瞳3403、3404的光被阻挡。因而，共焦成像系统将只给出来自与眼睛入射光瞳3402对准的出射光瞳3401的可观信号。由于人眼窗口的相对空间位置是预先已知(校准)的，因而探测器(图27到图30中的探测器)处的相对强度比给出了对注视方向的测量。图34示出了与“人眼窗口”有关的出射光瞳的正视图。

图35示出了多出射光瞳头戴显示器的实施方式，该显示器具有被放置为直接向用户的前面看的照相机3501。如图36所示，照相机抓拍场景3601，并向头戴显示器提供场景的缩放版本3604。例如，具有低视力的人，例如但不限于与年龄有关的黄斑变性(AMD)的情况，对于该情况，在中央凹窝处存在视敏度损失，但是周边视力不受影响，这些人能够受益于使图像缩放的选择，以更好地看到细节，否则他们在没有缩放的数字图像的情况下无法看到其黄斑区域3602中的细节。这是通过利用照相机3501抓拍图像、对图像进行适当的数字处理(例如数字缩放、向图像增加对比度或边缘增强)、并且借助于本发明的增强现实可佩戴眼镜显示器将经处理的数字图像呈现至观看者视场来实现的。在诸如主体损失周边视力但仍保持中央凹窝敏度的管状视力等其它低视力情况下，可以通过使照相机3501抓拍图像、然后对该图像进行处理以便提取出有用信息(例如处于患者的周边视力外部的对象)来规避周边视力损失。然后将该信息显示在眼镜上的中央凹窝区中，以便为患者提供其无法看到的对周围景物的觉察。在另一个实施例中，将照相机以外的其它传感器(在可见光或红外光谱区中敏感)添加到本发明的可佩戴眼镜上，所述传感器例如但不限于位置传感器(包括加速度计)、GPS传感器、压力传感器或者能够对可佩戴眼镜的空间中的位置进行定位的任何类型的传感器。通过将这些定位传感器与眼睛跟踪系统(例如但不限于本申请中描述的系统)结合，并通过使用双目投影显示器(例如但不限于具有多个出射光瞳(每只眼睛一个)的系统)，能够生成具有三维信息的增强现实。定位传感器相对于场景(例如通过照相机数字记录的)来定位护目镜的位置。眼睛跟踪系统确定场景中的感兴趣的对象。因而借助两种信息，可以关于场景中的对象生成要显示的适当的增强图像。

图37示出了在透明基质3703中的嵌入的小相息图反射镜3701和3702，透明基质3703可以是任何适合的热塑性塑料(例如，聚碳酸酯、PMMA)。小反射镜的功能是将来自投影仪的光束重新引导至眼睛209。投影仪可以是扫描反射镜或固定的微显示器(例如LCD、LCOS)。反射镜可以涂覆有薄膜，以提供充分的光谱反射响应。出于例示的目的，我们假设3个人眼窗口和单色操作。嵌入的反射镜的光谱响应是在3个光源的光谱带中的反射以及可见范围的其它部分的透射。通过将相息图反射镜(其看起来像相息图)嵌入在具有相同折射率的材料中，通过全息半反半透镜的光不受干扰。

图38示出了用于出于合成更大的人眼窗口的目的而获得多个出射光瞳的另一种方法。首先对宽带3802光源3801进行光谱切分3803，以产生由每者都分开一段没有光的光谱区带的分立的发射带组成的光谱3804，宽带光源例如但不限于具有小发射孔隙(1微米到10微米之间)的发光二极管、具有相同的小发射孔隙的谐振腔发光二极管、激光二极管、超发光二极管和VCSEL。然后通过2D扫描仪2703对所得到的准直光进行扫描，2D扫描仪可以是但不限于MEMS扫描仪、谐振或非谐振声光偏转器、液晶偏转器。使用投影透镜2702来产生发散光束3805。全息半反半透镜204根据波长3806、3807来重新准直发散光束。例如，全息半反半透镜可以是但不限于全息元件、聚合物类型、晶体类型或玻璃类型的体积全息元件。优选为聚合物全息材料，因为其能够被层压到表面上。由于发散光束由多个不同的波段组成(出于例示的目的，在图38的示例中存在两个不同波长)，因而反射全息图具有一定的厚度，并且通过对波段13807进行衍射的方式来制成，以产生对应于发散光束的某一角度范围的准直光束。类似地，波段23806被衍射以产生准直光束，该准直光束以与波长1的准直光束相同的方向进行传播，但是在空间上发生了位移，以产生具有多个出射光瞳的扩大的人眼窗口。

图39示出了用于获得多个出射光瞳的另一种方法。对如图38中所述的同一准直光源3801进行光谱滤波3804，并通过2D扫描仪2703进行偏转。光束入射到例如但不限于透射衍射光栅的色散光学元件3901上。在投影透镜2702之后，透射光栅产生对应于每个波段(图39所示的示例中的两个波段)的两个不同的发散光束3902和3903。具有与图38中相同的描述的全息半反半透镜204产生对应于每个波段的两个重新准直的光束3904和3905，这形成了具有多个出射光瞳的扩大的人眼窗口。

图40示出了处于一副眼镜2601(双目或单目)的每一侧上的多出射光瞳投影系统。因此左眼和右眼均重新接收到来自相应的投影系统的图像。通过使用图32、图33、图34中描述的跟踪系统(但不限于此)，能够根据注视方向来显示三维信息。三维来自于双目视图。例如，置于眼镜上的照相机3501抓拍代表佩带者的视野的图像。通过将照相机与观看者的注视角度校准，有可能利用适当的信息来增强视图。例如，在医疗中，对于佩戴护目镜的外科医生，可以将增强的信息直接显示到外科医生的注视方向上。可以叠加外科医生的实际视野无法直接看到的重要动脉的位置。

图41是在其上放置投影系统以及全息半反半透镜204的刚性结构的实施例，投影系统即源2604、探测器、扫描仪或微显示器2603。在刚性结构4101上使系统对准。然后将刚性结构设置(附接)到护目镜的框架4102上，护目镜可以是但不限于具有验光眼镜的护目镜。将全息半反半透镜置于投影系统与眼镜之间。可以对离开全息半反半透镜的光束的发散度进行调整，以针对用户的眼睛处方做出补偿。

图42是具有置于眼镜4101外部上的全息半反半透镜204的另一个实施例。因此，包括光源2604、探测器、扫描仪或微显示器2603的投影系统附接在侧面分支上。对全息半反半透镜进行固定，例如但不限于用环氧树脂固定、夹住或用螺丝固定。

Claims (76)

1.一种用于显示眼睛可观看的图像的方法，所述图像是从便携式头戴显示器投射的，所述方法包括以下步骤：

发射多个光束，所述光束之间波长不同；

将所述多个光束引导至扫描反射镜；

根据从所述图像提供的强度信息对所述多个光束中的每一个光束进行强度调制，所述强度由此代表所述图像内的像素值；

利用所述扫描反射镜沿两个不同的轴来扫描所述多个光束，以形成所述图像；以及

使用用作所述光束的反射器的全息光学元件将所述多个光束重新引导至所述眼睛，所述重新引导由此取决于所述光束的波长，以在所述眼睛处为每个光束创建出射光瞳，所述出射光瞳与其它光束的出射光瞳空间分开。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

发射所述多个光束的步骤还包括：通过选择要包括到人的视力所觉察的第一给定颜色内的特定谱带中的那些光束的对应波长来创建由所述多个光束中的确定数量的光束构成的第一捆，其中，所述第一捆中的所述光束中的每个光束与其出射光瞳相关联，所述出射光瞳与所述第一捆中的其它光束的出射光瞳空间分开。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，

发射所述多个光束的步骤还包括：创建由光束构成的第二捆和第三捆，每捆对应于分别处于人的视力所觉察的第二给定颜色和第三给定颜色内的独立的谱带，其中，分别在所述第二捆和所述第三捆内，所述光束与所述第一捆中的所述光束的所述出射光瞳相关联，由此为所述出射光瞳中的每个出射光瞳创建对应于所述第一给定颜色、所述第二给定颜色和所述第三给定颜色的用于全色图像的三个光束。

4.根据权利要求1到3中的任一项所述的方法，还包括

针对所述光束中的每个光束向所述图像施加图像配准和失真校正，以根据每个光束的所述出射光瞳的位置来使所述多个光束产生的所显示的图像对准。

5.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，还包括

对由所述多个光束形成的所述出射光瞳进行空间布置，以形成使所述眼睛与所述便携式头戴显示器对准以观看所述图像的扩大的区域。

6.根据权利要求1到5中的任一项所述的方法，其中，

将所述多个光束引导至所述扫描反射镜的步骤还包括：在所述扫描反射镜处在空间和角度上对所述多个光束进行同轴合并，由此通过图像处理来对由各个所述出射光瞳的定位而在所述眼睛处产生的光束之间的显著角度差进行校正。

7.一种用于显示眼睛可观看的图像的方法，所述图像是从便携式头戴显示器投射的，所述方法包括以下步骤：

发射多个光束，所述光束之间波长不同；

根据从所述图像提供的强度信息来对所述多个光束中的每一个光束进行强度调制，所述强度由此代表所述图像内的像素值；

使用用作所述光束的反射器的光学元件将所述多个光束重新引导至所述眼睛，所述重新引导由此取决于所述光束的波长，以在所述眼睛处为每个光束创建出射光瞳。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，

发射所述多个光束的步骤还包括：通过选择要包括到人的视力所觉察的第一给定颜色内的特定谱带中的那些光束的对应波长来创建由所述多个光束中的确定数量的光束构成的第一捆，其中，所述第一捆中的所述光束中的每个光束与其出射光瞳相关联，所述出射光瞳与所述第一捆中的其它光束的出射光瞳空间分开。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，

发射所述多个光束的步骤还包括：创建由光束构成的第二捆和第三捆，每捆对应于分别处于人的视力所觉察的第二给定颜色和第三给定颜色内的独立的谱带，其中，分别在所述第二捆和所述第三捆内，所述光束与所述第一捆中的所述光束的所述出射光瞳相关联，由此为所述出射光瞳中的每个出射光瞳创建对应于所述第一给定颜色、所述第二给定颜色和所述第三给定颜色的用于全色图像的三个光束。

10.根据权利要求7所述的方法，还包括

针对所述光束中的每个光束向所述图像施加图像配准和失真校正，以根据每个光束的所述出射光瞳的位置来使所述多个光束产生的所述显示的图像对准。

11.根据权利要求7所述的方法，还包括

对由所述多个光束形成的所述出射光瞳进行空间布置，以形成使所述眼睛与所述便携式头戴显示器对准以观看所述图像的扩大的区域。

12.根据权利要求7所述的方法，其中，在对所述多个光束进行重新引导的步骤中，所述光学元件是全息光学元件。

13.一种产生用于根据权利要求1到12中的任一项所述的方法中的光学元件的方法，包括

利用与所述多个光束的波长密切匹配的多个全息图写入激光器来记录全息光学元件，并且由此在全息图记录机构中对所述写入激光器中的每个写入激光器的光束进行空间布置，以匹配接下来由所述便携式头戴显示器创建的所述出射光瞳的空间取向。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过光纤对所述写入激光器中的每个写入激光器的所述光束进行空间布置。

15.根据权利要求1到12中的任一项所述的方法，还包括

对应于给定时刻所述眼睛的位置而使所述多个光束中的选定的与所述出射光瞳中的每个出射光瞳相关联的光束无效，眼睛跟踪信息由此用于使未对准的出射光瞳无效，以降低装置功耗。

16.根据权利要求1到12或15中的任一项所述的方法，还包括

对由所述多个光束形成的所述出射光瞳进行空间布置，每个个体光束由此形成多个空间分开的出射光瞳，以创建不被所述眼睛同时看到的多个感兴趣区域，每个感兴趣区域具有更大的总视场内的子集视场以及相关联的多个出射光瞳。

17.根据权利要求7到12或15到16中的任一项所述的方法，其中，对所述多个光束中的每一个光束进行强度调制的步骤包括：从面板微显示器进行投射。

18.根据权利要求7到12或15到16中的任一项所述的方法，还包括

将所述多个光束引导至扫描反射镜；以及

利用所述扫描反射镜沿两个不同的轴来扫描所述多个光束，以形成所述图像。

19.根据权利要求1到12或15到18所述的方法，还包括

在空间和角度上对所述多个光束进行同轴合并，由此通过图像处理来对由各个所述出射光瞳的定位而在所述眼睛处产生的所述光束之间的显著角度差进行校正。

20.根据权利要求1到12或15到18所述的方法，还包括

使在所述光束之间具有角度差的所述多个光束合并，以使所述出射光瞳处的所述光束的其中之一的角度值与所述光束中的任何其它光束的角度值大体上相似，因此降低对图像处理的要求，由此然后通过图像处理对由各个所述出射光瞳的定位而在所述眼睛处产生的所述光束之间的剩余角度差进行校正。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，通过远心透镜来使在所述光束之间具有角度差的所述多个光束合并，由此对发射所述光束之间波长不同的所述光束的多个光源的二维布置进行准直和合并，其中所述远心透镜在所述远心透镜的出射光瞳处对所述光束进行合并。

22.根据权利要求20到21中的任一项所述的方法，其中，通过用于所述光束的其它远心透镜、衍射光学元件和孔隙的组合对发射所述光束之间波长不同的所述光束的所述多个光源进行空间和光谱滤波。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述衍射光学元件是下述列表的其中之一：衍射光栅、体积全息元件。

24.一种用于显示眼睛可观看的图像的方法，所述图像是由便携式头戴显示器投射的，所述方法包括以下步骤：

发射多个光束；

将所述多个光束中的每个光束引导至对应的空间分开的扫描反射镜；

根据从所述图像提供的强度信息对所述多个光束中的每一个光束进行强度调制，所述强度由此代表所述图像内的像素值；

利用多个所述空间分开的扫描反射镜中的对应的扫描反射镜沿两个不同的轴来扫描所述多个光束中的每一个光束，以形成所述图像；以及

利用用作所述光束的反射器的光学元件将所述多个光束重新引导至所述眼睛，所述重新引导由此取决于所述光束在所述光学元件上的入射角，以在所述眼睛处为每个光束创建出射光瞳，所述出射光瞳与其它光束的出射光瞳空间分开。

25.根据权利要求24所述的方法，还包括

针对所述光束中的每个光束向所述图像施加图像配准和失真校正，以根据每个光束的所述出射光瞳的位置来使由所述多个光束产生的所显示的图像对准。

26.根据权利要求24和25中的任一项所述的方法，还包括

对由所述多个光束形成的所述出射光瞳进行空间布置，以形成使所述眼睛与所述便携式头戴显示器对准以观看所述图像的扩大的区域。

27.根据权利要求24到26中的任一项所述的方法，其中，

更进一步地在发射所述多个光束的步骤中，将具有独立的可见波长的三个光束引导至每个扫描反射镜，并使所述三个光束合并，以形成所述出射光瞳的其中之一，由此为所述出射光瞳中的每个出射光瞳创建用于全色图像的三个光束。

28.根据权利要求24所述的方法，其中，在对所述多个光束进行重新引导的步骤中，所述光学元件是全息光学元件。

29.一种产生用于根据权利要求24到28中的任一项所述的方法中的光学元件的方法，还包括

利用与所述多个光束的波长密切匹配的多个全息图写入激光器来记录全息光学元件，并且由此在全息图记录机构中对所述写入激光器中的每个写入激光器的光束进行空间布置，以匹配接下来由所述便携式头戴显示器创建的所述出射光瞳和投射源点的空间和角度取向。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，通过光纤对所述写入激光器中的每个写入激光器的所述光束进行空间布置。

31.根据权利要求24到28中的任一项所述的方法，还包括

对应于给定时刻所述眼睛的位置而使所述多个光束中的选定的与所述出射光瞳中的每个出射光瞳相关联的光束无效，眼睛跟踪信息由此用于使未对准的出射光瞳无效，以降低装置功耗。

32.根据权利要求24到28的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

对由所述多个光束形成的所述出射光瞳进行布置，每个个体光束由此形成多个空间分开的出射光瞳，以创建不被所述眼睛同时看到的多个感兴趣区域，每个感兴趣区域具有更大的总视场内的子集视场以及相关联的多个出射光瞳。

33.一种用于显示眼睛可观看的图像的方法，所述图像是从便携式头戴显示器投射的，所述方法包括以下步骤：

发射多个光束；

根据从所述图像提供的强度信息对所述多个光束中的每一个光束进行强度调制，所述强度由此代表所述图像内的像素值；

使用用作所述光束的反射器的光学元件在不在所述眼睛处创建光学出射光瞳的情况下将多个大体上准直的光束重新引导至所述眼睛，所述重新引导由此取决于所述光束的入射角和波长，从而创建多个子集视场，所述多个子集视场在所述眼睛处整体上构成总视场。

34.根据权利要求33所述的方法，其中，在对所述多个光束进行重新引导的步骤中，所述光学元件是全息光学元件。

35.一种产生用于权利要求33和34中的任一项所述的方法中的光学元件的方法，包括

利用与所述多个光束的波长密切匹配的多个全息图写入激光器来记录全息光学元件，并且由此在全息图记录机构中对所述写入激光器中的每个写入激光器的光束进行空间布置，以匹配接下来由所述便携式头戴显示器创建的所述子集视场的空间和角度取向。

36.根据权利要求33到35中的任一项所述的方法，还包括

针对所述光束中的每个光束向所述图像施加图像配准和失真校正，以使所述子集视场的图像对准，从而以连续方式整体上形成所述总视场。

37.根据权利要求33到36中的任一项所述的方法，其中，

在发射所述多个光束的步骤中，使每个子集视场的具有独立的可见波长的三个光束合并，由此为所述子集视场中的每个子集视场创建用于全色图像的三个光束。

38.一种用于通过从便携式头戴显示器投射并采集图像来从所述眼睛获得生理信息的方法，包括以下步骤：

发射多个光束，所述光束之间波长不同；

通过透镜将所述多个光束聚焦到针孔孔隙上；

将来自所述针孔孔隙的所述多个光束引导至扫描反射镜；

根据从所述图像提供的强度信息对所述多个光束中的每一个光束进行强度调制，所述强度由此代表所述图像内的像素值；

利用所述扫描反射镜沿两个不同的轴来扫描所述多个光束，以形成所述图像；

使用所述眼镜片上的用作所述光束的反射器的光学元件将所述多个光束重新引导至所述眼睛，所述重新引导由此取决于所述光束的波长和角度，以在所述眼睛处为每个光束创建出射光瞳，所述出射光瞳与其它光束的出射光瞳空间分开；

将重新引导的所述多个光束聚焦到所述眼睛的表面上；

通过所述系统将经聚焦的所述多个光从所述眼睛的所述表面反射回到所述针孔孔隙；以及

将经反射的所述多个光束通过光束分裂元件引导至探测器，所述强度由此代表所述多个光束聚焦所在的所述眼睛的所述表面的共焦图像。

39.根据权利要求38所述的方法，由此：

通过用于将所述光传输至不同位置的光纤来代替所述针孔孔隙。

40.根据权利要求38和39中的任一项所述的方法，其中：

经由所述眼睛的表面的散射来将与所述多个光束的波长相同的波长处的光反射回来。

41.根据权利要求38和39中的任一项所述的方法，其中：

经由所述眼睛的表面的荧光作用将与所述多个光束相比发生了偏移的波长处的光反射回来。

42.根据权利要求38和39中的任一项所述的方法，其中：

经由所述眼睛的表面的拉曼散射将与所述多个光束相比发生了偏移的波长处的光反射回来。

43.根据权利要求38和39中的任一项所述的方法，其中：

经由所述眼睛的表面的非线性现象将与所述多个光束相比发生了偏移的波长处的光反射回来。

44.根据权利要求38和39中的任一项所述的方法，其中：

所述光学元件是体积全息光学元件。

45.一种用于通过从便携式头戴显示器投射并采集图像来从所述眼睛获得生理信息的方法，包括以下步骤：

发射多个光束，所述光束之间波长不同；

通过透镜将所述多个光束聚焦到多模双包层光纤的单模芯上；

将来自所述多模双包层光纤的所述多个光束引导至扫描反射镜；

根据从所述图像提供的强度信息对所述多个光束中的每一个光束进行强度调制，所述强度由此代表所述图像内的像素值；

利用所述扫描反射镜沿两个不同的轴来扫描所述多个光束，以形成所述图像；

使用所述眼镜片上的用作所述光束的反射器的光学元件将所述多个光束重新引导至所述眼睛，所述重新引导由此取决于所述光束的波长和角度，以在所述眼睛处为每个光束创建出射光瞳，所述出射光瞳与其它光束的出射光瞳空间分开；

将重新引导的所述多个光束聚焦到所述眼睛的表面上；

通过所述系统将所述多个光束从所述眼睛的所述表面反射回到所述多模双包层光纤的多模芯；以及

将经反射的所述多个光束通过光束分裂元件引导至探测器，所述强度由此代表所述多个光束聚焦所在的所述眼睛的所述表面的共焦图像。

46.根据权利要求45所述的方法，其中：

经由所述眼睛的表面的散射来将与所述多个光束的波长相同的波长处的光反射回来。

47.根据权利要求45所述的方法，其中：

经由所述眼睛的表面的荧光作用将与所述多个光束相比发生了偏移的波长处的光反射回来。

48.根据权利要求45所述的方法，其中：

经由所述眼睛的表面的拉曼散射将与所述多个光束相比发生了偏移的波长处的光反射回来。

49.根据权利要求45所述的方法，其中：

经由所述眼睛的表面的非线性现象将与所述多个光束相比发生了偏移的波长处的光反射回来。

50.根据权利要求7到11、15到27、31到33、36到43以及45到49中的任一项所述的方法，其中：

所述光学元件是下述列表的其中之一：相息图衍射光学元件、具有频率选择响应的弯曲反射元件。

51.根据权利要求38或45中的任一项所述的方法，还包括：

将所述多个光束聚焦到所述眼睛的不同深度，所述光束的波长由此确定对所述眼睛的哪些结构进行成像。

52.根据权利要求38或45中的任一项所述的方法，其中：

不可见的红外光用于所述共焦测量，以便避免干扰所述头戴显示器的可见功能。

53.根据权利要求38或45中的任一项所述的方法，其中：

在所述探测器处由滤波器将所述光束分开，所述滤波器是下述列表中的任一种：干涉型滤波器、二向色滤波器、全息滤波器。

54.根据权利要求38或45中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

采集所述眼睛的多个特定注视图像，以用于眼睛跟踪校准；

对所述眼睛的所述多个特定注视图像进行处理，以用于特征提取；

形成使注视位置与所提取的特征相关的数据库；

采集所述眼睛的新的特定注视图像，以用于注视确定；

使所述新的特定注视图像的特征与所述数据库中的图像相关；以及

通过与具体注视角度相关来对所述图像进行分类，以用于实时眼睛跟踪。

55.根据权利要求38或45中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

从构成所述眼睛处的多个出射光瞳的所述多个光束采集反射的强度，由此使所述眼睛的注视位置与构成所述眼睛处的空间分开的出射光瞳的所述多个光束的相对强度相关。

56.一种用于显示眼睛可观看的图像的方法，所述图像是由便携式头戴显示器投射的，所述方法包括以下步骤：

发射具有宽光谱的至少一个光束；

将所述至少一个光束的光谱切分成多个分立的光谱发射带，每个光谱发射带通过没有光的光谱区带分开；

将所述多个光束引导至扫描反射镜；

根据从所述图像提供的强度信息对所述至少一个光束中的每一个光束进行强度调制，所述强度由此代表所述图像内的像素值；

利用所述扫描反射镜沿两个不同的轴来扫描所述至少一个光束，以形成所述图像；以及

使用用作所述光束的反射器的全息光学元件来将所述至少一个光束重新引导至所述眼睛，所述重新引导由此取决于所述光束的波长含量和角度，以在所述眼睛处为所述分立的光谱发射带中的每个光谱发射带创建出射光瞳，所述出射光瞳与其它分立的光谱发射带的出射光瞳空间分开。

57.根据权利要求56所述的方法，还包括：

通过色散光学元件在所述扫描反射镜之后使所述至少一个光束偏转，所述色散光学元件由此将所述至少一个光束按角度分成对应于分立的光谱发射带的数量的多个光束。

58.根据权利要求56和57中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

发射具有处于所述红色范围、绿色范围和蓝色范围中的每个范围内的分开的光谱带的三个光束，以使来自每个颜色范围的一个光束的合并创建所感知的色调，并且所述色调取决于三个合并的光束的相对强度。

59.根据权利要求56到58中的任一项所述的方法，还包括：

对由所述多个光束形成的所述多个出射光瞳进行空间布置，以形成使所述眼睛能够与所述光学系统对准以观看所显示的图像的扩大的区域。

60.一种用于显示眼睛可观看的图像的方法，所述图像是从便携式头戴显示器投射的，所述方法包括以下步骤：

从相干源发射至少一个光束；

将所述至少一个光束引导至具有提供第一波前的相位图的空间光调制器；

使用所述眼镜片上的漫散射反射器将所述至少一个光束重新引导至所述眼睛，由此使所述第一波前受到所述漫散射反射器的反射，以提供进入所述眼睛的第二波前并且在所述视网膜上形成低像差图像。

61.根据权利要求60所述的方法，其中，所述相干光源是表面发射激光器(VCSEL)、点光源LED或激光二极管。

62.根据权利要求60所述的方法，其中，所述眼镜片由第一和第二透明的光学联结的元件组成，其中，所述第一元件具有第一折射率，所述第一元件的一侧散射可见光并且第二侧是光滑的并且不发生散射，并且所述第二侧上沉积有反射涂层，并且所述第二元件具有与所述第一折射率相等的第二折射率，并且具有光滑的不发生散射的侧。

63.根据权利要求60所述的方法，其中，所述空间光调制器是仅相位调制器、仅幅度调制器或二者。

64.一种用于通过投射并采集眼睛可观看的图像来从所述眼睛获得生理信息的方法，所述图像是从便携式头戴显示器投射的，所述方法包括以下步骤：

从相干源发射至少一个光束；

将所述至少一个光束引导至具有提供第一波前的相位图的空间光调制器；

使用所述眼镜片上的漫散射反射器将所述至少一个光束重新引导至所述眼睛，由此使所述第一波前受到所述漫散射反射器的反射，以提供进入所述眼睛的第二波前并且在所述眼睛的表面上形成低像差斑点；

通过向所述SLM提供适当的相位图来扫描所述视网膜上的所述斑点；以及

以共焦方式恢复由所述视网膜所漫反射的光，以形成表面的图像。

65.根据权利要求64所述的方法，其中，所述表面是所述视网膜。

66.一种用于显示眼睛可观看的图像的系统，所述图像是从便携式头戴显示器投射的，所述系统包括：

用于实施根据权利要求1、7、24、33、38、45、56、60和64中的任一项所述的方法的多出射光瞳头戴显示系统；以及

采集场景并向所述头戴显示器提供所述场景的经处理的图像的安装在前面的照相机。

67.根据权利要求66所述的系统，其中，所述经处理的图像可以是以下图像中的任何图像：(a)缩放图像、(b)边缘增强图像、(c)对比度增强图像、(d)失真图像、或者(a)到(d)的组合。

68.根据权利要求66所述的系统，其中，所述眼睛在所述中央凹窝处具有光受体损失，例如，眼睛患有与年龄有关的黄斑变性。

69.根据权利要求66所述的系统，其中，在围绕所述眼睛的中央凹窝的外围区域中显示所述经处理的图像。

70.根据权利要求66所述的系统，其中，所述眼睛在围绕所述中央凹窝的外围区域中具有光受体损失。

71.根据权利要求66所述的系统，其中，在所述中央凹窝中显示所述经处理的图像。

72.一种用于将从便携式头戴显示器投射的图像重新引导至所述眼睛的装置，包括：

透明热聚合物基质中的嵌入的小的相息图反射镜，其用于将至少一个入射光束局部重新引导至所述眼睛；以及

所述相息图反射镜上的薄膜反射涂层，其具有光谱和角度选择性，以允许来自所述投影仪的所述至少一个光束在所述眼睛处被分成多个出射光瞳，而同时允许来自所述周围环境的实质性的环境光通过以到达所述眼睛。

73.一种用于向两只眼睛显示双目图像的系统，所述图像是从两个便携式头戴显示器投射的，所述系统包括：

处于一副眼镜的每侧上的多个出射光瞳投影模块；

处于两个所述眼镜片上的多个出射光瞳全息反射器；

基于来自所述眼睛的反射光的用于两只眼睛的眼睛跟踪系统；

采集所述用户前面的场景的前向照相机；以及

通过基于来自所述眼睛跟踪系统的信息的对所述双目图像进行的改变而产生的三维图像。

74.一种用于在多出射光瞳头戴显示器中的投影仪与眼镜片全息光学元件之间创建并保持对准的方法，包括以下步骤：

在刚性材料连接部上使所述投影仪与所述全息光学元件对准，所述刚性材料连接部在结构上保持所述光学元件之间的位置和角度；以及

将所述刚性结构附接并定位在一副常规眼镜上。

75.根据权利要求72和73中的任一项所述的方法，其中，所述常规眼镜是：非验光眼镜或太阳镜；或者是验光眼镜或太阳镜。

76.根据权利要求72和73中的任一项所述的方法，其中，将所述刚性材料连接部放置并附接在所述常规眼镜的内侧或外侧上。