CN108474939B - 图像投影系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于在视网膜图像投影中使用的系统(100)包括至少第一图像投影单元(130)和第二图像投影单元(140)以及眼投影光学模块(120)。投影单元(130,140)被配置为分别投影至少第一图像部分和第二图像部分。眼投影光学模块(120)光学地耦合到图像投影单元(130,140)，并且被配置为沿着一般光路组合至少第一图像投影单元(130)和第二图像投影单元(140)的投影的光路以将第一图像部分和第二图像部分的组合图像投影在用户的眼睛(10)的视网膜(12,14)上。

Description

图像投影系统
技术领域
本发明在图像投影系统的领域中，且尤其涉及用于向用户提供纯粹、增强或虚拟现实体验的可穿戴/头戴式视网膜投影系统。
背景
头戴式或通常可穿戴的图像投影系统用于通过将图像直接显示到用户的眼睛中来提供虚拟和/或增强现实体验。已知利用在用户眼睛的前方或内的图像投影的各种类型的头戴式投影系统。这种投影系统在很多情况下被配置为可安装到用户头上并且可操作来将图像投影到用户的眼睛上以用于提供真实和令人信服的显示的眼镜。
与标准显示系统类似，头戴式显示系统旨在提供高分辨率图像，同时利用有限的计算能力。为了简化图像再现的复杂性，已经开发了某些视网膜/中央凹显示系统，其利用针对用户眼睛的中央凹区域的单独图像投影以及针对视网膜的周边区域的额外的较低分辨率图像投影以提供宽视场。
US2008002262公开了一种头戴式显示设备，其具有将设备附接到用户的头部的安装件、使用移动设备附接到安装件的分束器、将图像投影到分束器上的图像投影仪、跟踪用户的眼睛的注视的眼跟踪器以及一个或更多个处理器。该设备使用眼跟踪器和移动设备以及可选的头部跟踪器，以围绕眼睛的旋转中心移动分束器，使分束器保持在眼睛的直接视线内。用户同时观看图像和在图像后面的环境。第二分束器、眼跟踪器和投影仪可以在用户的另一只眼睛上使用来创建立体的虚拟环境。显示可以对应于人眼的旋转能力。无论用户看哪里，本发明都可以预设高分辨率图像。
US 2012/0105310描述了一种具有至少一个视网膜显示单元的头戴式显示系统，该显示单元具有位于穿用者的一只眼睛或两只眼睛前方的曲面反射器。该单元包括共同对准的并适于提供具有可选择的颜色的激光束的第一组三个调制可见光激光器和第一扫描仪单元，第一扫描仪单元提供对越过曲面反射器的一部分的激光束的在方向上的水平和垂直扫描以便产生彩色激光束通过眼睛瞳孔到大到足以包围中央凹的视网膜的一部分上的反射。该单元还包括：第二组三个调制可见光激光器加上红外激光器，所有激光器被共同对准并适于提供彩色和红外周边视野激光束；以及第二扫描仪单元，其提供越过曲面反射器的一部分的可见光和红外激光束的在方向上的水平和垂直扫描以便产生所扫描的彩色和红外激光束通过眼睛瞳孔到与至少30度×30度的视场对应的视网膜的一部分上的反射。
US 2005/185281描述了一种包括屏幕的用于观看的装置。该装置包括用于检测观看者的眼睛在屏幕上的图像上的注视点的工具。该装置包括用于在屏幕上的注视点周围显示图像的中央凹插入图像的工具，所以观看者的中央凹看到中央凹图像，而眼睛的其余部分看到图像。方法包括以下步骤：检测观看者的眼睛在屏幕上的图像上的注视点。有在屏幕上的注视点周围显示图像的中央凹插入图像的步骤，所以观看者的中央凹看到中央凹图像，而眼睛的其余部分看到图像。
US 2009/189830描述了安装在眼睛上和/或内部的显示设备。安装在眼睛上的显示器包含多个子显示器，每个子显示器将光投影到在与子显示器对应的视网膜的一部分内的不同视网膜位置。投影光通过瞳孔传播，但不填充整个瞳孔。以这种方式，多个子显示器可以将它们的光投影到视网膜的相关部分上。从瞳孔移动到角膜，瞳孔到角膜上的投影将被称为角膜孔径。投影光贯穿小于全角膜孔径而传播。子显示器在角膜表面处使用空间复用。
一般描述
在本领域中需要显示系统的新颖配置，其以给定图像再现能力提供具有合意地高的图像/投影质量的视网膜图像投影。
在传统投影系统中，最大图像分辨率通常受到几个因素的限制：图像生成元件(投影单元)、由控制单元例如图形处理单元(GPU)提供的处理能力以及从GPU到投影单元的数据传输的带宽。因此，利用传统的眼投影系统提供具有等于人类视觉的空间分辨率的像素密度的图像投影需要非常高的计算能力并且通常可能需要小型投影/显示单元的阵列。
更特别地，提供具有最大人眼分辨率的成像通常可能需要对每只眼睛投影包含约20兆像素或更多的图像帧。此外，为了提供与人类感知的时间分辨率匹配的时间分辨率(使得图像移动被感知为平滑的和无缝的)，所显示的图像可能需要以60HZ或更高的速率被再现。这要求高速率的图像再现和在控制单元与投影单元之间以及在存储公用设施与控制单元之间的数据传输(例如，大约为28GBit/秒，考虑到具有24位颜色的颜色深度的图像的投影)。这样的高数据传输速率通常超出了现有技术的眼投影设备的能力，并且在任何情况下可能增加系统的重量、尺寸、成本和能量消耗。
本发明提供了一种新颖的图像投影系统，其利用两个或更多个图像投影模块/单元来将具有空间变化的图像投影质量的图像投影到视网膜上。在这个方面中，短语“图像投影质量”在本文中用于指到视网膜上和可能还到在投影图像中的颜色深度水平上的图像投影的像素密度(例如DPI或每单位立体角的点)。为此，在一些实施例中，两个或更多个投影模块提供分别具有两个或更多个颜色深度水平的图像部分。
在某些实施例中，本发明的技术利用高像素密度图像部分(即具有在投影表面上的高角分辨率和相等地高数量的每英寸点(DPI))到用户眼睛的中央凹区域(fovearegion)上的投影以及具有较低像素密度(较低角分辨率/DPI)的图像部分到用户视网膜的周边(例如旁中央凹(parafoveal)区域)上的投影。这提供了用户眼睛对投影图像的有效高分辨率感知，同时减少了投影系统的图像再现、数据传输和存储需要。因此，将高像素密度图像提供给能够收集图像细节并将它们转移到用户大脑的视网膜区域(中央凹)，而将较低像素密度(角分辨率)的图像提供给具有较低的感知能力的视网膜的区域(旁中央凹)。
类似地，本发明的某些实施例利用下面的事实：颜色深度的感知在眼睛视网膜的中央凹区域比在其他(旁中央凹)区域中更显著得多。在那些实施例中，投影在中央凹上的图像部分以比投影在周边上的图像部分更高的颜色深度被投影。
因此，根据本发明的某些实施例，图像的某些部分以高图像投影质量(高角分辨率和/或高颜色深度)被投影在能够感知具有高DPI和/或具有高颜色深度的投影图像的视网膜的某些区域上(即，在中央凹上)，并且图像的某些其他部分以较低的图像投影质量被投影在视网膜的其中感知被限制到较低的DPI和/或较低的颜色深度(例如，视网膜的周边/旁中央凹区域)区域上。
因此，本发明的一些实施例利用两个或更多个图像投影模块/单元，其具有不同的分别宽和窄的角展度。具有窄角展度(例如，沿水平和垂直轴中的每一个覆盖3°至10°的立体角)的图像投影模块被配置成并且可操作来将较高图像投影质量(较高角分辨率/DPI和/或较高的颜色深度)的图像投影在视网膜的中央(中央凹)区域上，使得用户可以感知高质量的图像。具有宽角展度(例如沿水平轴和垂直轴中的每个覆盖在60°与170°之间的立体角)的图像投影模块被配置成将具有较低图像投影质量的图像部分投影到视网膜的周边(例如所谓的旁中央凹区域)上。这允许利用人眼的解剖特性来将具有所感知的高质量的图像投影到其，同时减少数据的数量和处理要求和/或系统的尺寸/重量和/或成本，这些在图像在整个视网膜上以相同的高质量均匀地被投影的情况下是需要的。
因此，本发明的技术显著减少了眼投影系统的数据传输和处理要求，同时最大化来自投影系统的用户体验(用户仍然通过能够这样做的视网膜的区域感知高分辨率图像)。
如所知道的，人眼的视网膜的内涂层具有光敏组织。视网膜的被称为中央凹的区域负责清晰的视觉，具有高密度的锥型感光神经细胞。为此，本发明的技术利用导向用户中央凹的高分辨率图像，同时提供导向视网膜并具有较低的图像分辨率的周边图像，以减小再现复杂度，同时保持大视场。因此，本发明的技术将具有高分辨率的图像投影聚焦在中央凹处，并且提供具有较低分辨率的投影，因而与均匀像素密度再现相比以减小的处理和数据传输要求提供高分辨率投影。
本发明的眼投影系统包括光学模块，该光学模块被配置为将来自至少两个(例如，第一和第二)图像投影单元的图像(即，在本文中也被称为图像部分)引导到用户的眼睛中(即，至少引导到一只眼睛中)。光学模块被配置为将从第一投影单元提供的图像部分引导到用户的眼睛的第一区域(中央凹)中，并且将由其他投影单元(例如第二投影单元或另外的投影单元，如果使用的话)投影的图像部分引导到视网膜的周围/周边区域(旁中央凹)。
根据一些实施例，光学模块通常可以包括组合单元(例如光束组合器)和中继单元(光学中继器)，其可以沿着光学模块的光路以级联顺序布置，以引导来自图像投影单元的图像投影并将它们组合地(同时或不同时)投影到用户的眼睛中。更特别地，组合单元将与由至少第一和第二投影单元产生的投影图像部分相关联的光束组合成代表应当被提供/投影到用户眼睛的全投影图像帧的组合光场。在这里，短语“光场”和“组合光场”用于指定穿过朝着眼睛的图像投影的光路而测量的光的强度分布以及可能的色彩内容。形成组合光场的光束可以从组合单元传送到光学中继器，光学中继器将光场引导到用户的眼睛。
更特别地，在一些实施例中，光学中继器被配置为分程传递到光场，使得它直接投影在视网膜上。例如在PCT专利公布号WO 2015/132775中和在IL专利申请号241033中描述了这种光学模块的配置和操作方法的例子，该光学模块包括被配置成和可操作来将图像直接投影到眼睛视网膜上并且可以并入到本发明的光学模块中的这种中继器，这两个专利申请都被共同转让给本专利申请的受让人并且通过引用被并入本文。
就此而言，应该理解，如在下文中使用的术语直接投影涉及光场的投影，使得传播的光场聚焦到用户的视网膜上的图像平面。例如，光学模块和/或其光学中继器可以被配置成使得光场的光束到达眼睛晶状体，使得它们实质上被准直和/或使得它们被眼睛晶状体本身聚焦在视网膜上。可选地或另外，可以通过朝着视网膜投影光场使得它的横截面直径实质上比眼睛的入射光瞳小(例如两倍或更多)(从而在视网膜上获得图像投影的高景深)来实现这样的直接投影。
在一些实施例中，光学模块包括轨迹模块(例如可移动或可旋转的光偏转器，其例如提供注视跟踪光学偏转器和/或瞳孔位置光学偏转器，如在IL专利申请号241033中描述的那些)，其配置成并可操作来根据用户的眼睛的视线(LOS)来调整图像投影的光路。为此，系统可以利用和/或可以包括眼跟踪单元，其被配置为检测用户的眼睛的LOS和/或在注视方向上的变化，并且向轨迹模块提供对应的数据以改变一般光路(general optical path)的定向以确定由轨迹模块提供的光路的偏转。因此，图像(光场)可以沿着根据眼睛的视线(LOS)的定向的变化和/或瞳孔/眼睛相对于眼投影系统的位置的变化而改变的一般光路由系统投影。为此，轨迹模块可以被配置为根据用户的眼睛相对于眼投影系统的定向(例如根据眼睛的光轴/视线(LOS)的方向)来改变沿着光学模块的光传播的一般光路。例如在共同转让给本专利申请的受让人并且通过引用被并入本文的IL专利申请号241033中描述了包括光学中继器和眼跟踪光学偏转器(例如瞳孔位置光束偏转器和注视方向光束偏转器)的这样的光学系统的例子，其可以用于将图像投影引导到眼睛视网膜，同时眼睛的位置和其注视方向可以相对于眼投影系统而改变。
为此，通过使用轨迹模块、眼跟踪单元和光学中继单元，可以改变光学模块的光路，使得与两个或更多个图像部分组合的光场可以沿着一般光路朝着用户瞳孔被传输。投影的光场可以被引导以从各种角定向到达瞳孔的位置，使得用户的眼睛可以在视网膜上的适当位置上形成组合图像，同时用户可以改变他的注视方向和/或同时在眼投影系统和眼睛之间的相对位移改变。如上所述，光场被配置成使得由第一投影单元生成的图像部分在视网膜的选定部分(即中央凹)上形成图像的一部分，并且由一个或更多个第二投影单元生成的图像部分在视网膜的其他区域(旁中央凹)上形成图像的部分。此外，即使用户改变了他的注视方向，所生成的图像部分在视网膜上的位置也可以保持固定。
因此，光学中继器(在本文也被称为中继单元)通常被配置为在用户的视网膜上生成图像，使得由第一投影单元提供的图像部分在视网膜的中央凹区域上生成，并且由其它投影单元提供的图像部分在视网膜的旁中央凹区域上生成，旁中央凹区域在视网膜的周边处。
应该注意，第一和第二图像投影单元通常可以具有不同的特性。例如，为了投影不同的视场，图像投影单元可以被配置成并且可操作来向光学模块输出跨越不同角范围的光线/光束。它们也可以被配置为输出具有不同角分辨率和/或不同颜色深度的图像。例如，第一图像投影单元可以适合于提供具有高角分辨率和高颜色深度的RGB图像(图像部分)，并且第二图像投影单元可以适合于提供具有较低颜色深度的RGB图像部分或者在一些情况下单色的图像部分和/或具有较低角分辨率的图像部分。颜色深度的变化可以使得第一投影单元提供具有例如32位或24位的颜色深度的图像，而一个或更多个第二投影单元提供具有例如16位或8位的颜色深度的图像。
为此，在一些情况下，可以基于不同的技术来配置第一图像投影单元和第二图像投影单元。例如，第一图像投影单元可以被配置为扫描图像投影，其输出图像通过以下方式产生：在角范围——图像通过该角范围被输出——上扫描(例如光栅化)光线，同时调制光线的强度和可能颜色内容以创建并向光学模块输出对由此产生的图像(图像部分)编码的第一光场。使用基于扫描的图像投影在功率和强度方面可能是有利的，优于非基于扫描(例如基于SLM)的投影单元。第二图像投影单元可以被配置为如上所述的扫描图像投影系统，或者被配置为利用一个或更多个空间光调制器(SLM；这样的液晶阵列和/或微镜阵列)来同时调制由此投影的多个像素的强度和可能的色彩内容的区域图像投影系统。使用光栅扫描和/或空间光调制来形成图像的图像投影单元的配置和操作的例子在图像投影的领域中通常是已知的，并且它们的配置和操作的原理不需要在本文被详细描述。
应该注意，根据本发明，第一和第二图像投影单元被配置成和可操作来使得它们能够分别输出两个第一和第二互补图像部分(光场)，其在空间上彼此互补以在视网膜的表面上形成连续图像的投影。为此，第一图像投影单元可以适合于投影覆盖绕着光学模块的一般光轴的某个角/横向范围的图像，使得当它导向视网膜时，它落在其中央凹区域上。第二图像投影系统可以被配置成和可操作来覆盖绕着一般光轴延伸的较宽的角/横向场，同时可选地跨越/覆盖绕着光学模块的一般光轴的环形(或更一般地，框架或环状区域)，使得当由此创建的图像部分导向视网膜时，它至少落在视网膜的周边上。
在这个方面中，第一图像投影单元和第二图像投影单元被配置为生成在空间上彼此互补的图像部分(例如使得它们重叠或具有共同边界)以使光学模块能够适当地组合因而产生的光场(图像部分)。因而产生的组合光场对应于在其中央区域(在图像平面)处的中央凹图像部分和在其周边部分处(在图像平面处)的旁中央凹图像部分，一起提供具有在图像部分之间的实质上平滑的过渡的在空间上连续的图像。为了实现此，第一图像投影和第二图像投影被布置在眼投影系统中，使得由组合器单元输出和组合的图像部分沿着光学模块的光路以相对于彼此的空间配准传播。
应该注意，在本发明的一些实施例中，第二图像投影单元被配置成并且可操作来使得由此输出以沿着光学模块的光路传播的第二(例如环形)图像部分(光场)的横向/角范围与由第一投影单元输出以沿着光路传播的第一(例如中心)图像部分(光场)在空间上重叠。为此，至少沿着第一图像部分的周边(环形边界)在第一和第二图像部分之间的一些重叠可以用于提供在第一图像部分的高质量和第二图像部分的较低质量之间的平滑和无缝的过渡。
本发明的这种技术通过引导所需的计算能力以针对与用户正在注视的区域对应的中心视场生成高分辨率图像来减少再现过程。可以以较低的分辨率来再现和投影图像的周边和用户的视场的周边。这是因为投影图像的旁中央凹部分在用户注意力的周边处并且被用户眼睛的旁中央凹区域(在本文通常被称为视网膜)捕获，其中感光细胞具有较低密度并且以降低的空间密度和较低的分辨率提供数据。
应该注意，由于被引导到用户眼睛中的图像通常根据眼睛的定向被再现并且图像/光场的传输被眼跟踪单元调整，所以用户可以体验完整的虚拟现实(或增强现实)，感知大视场(实际上没有图像边界)，为用户提供存在感。
因此，根据本发明的广泛方面，提供了一种用于在视网膜图像投影中使用的系统，其包括：
至少第一图像投影单元和第二图像投影单元，其被配置成且可操作来分别投影至少第一图像部分和第二图像部分；以及
眼投影光学模块，其光学地耦合到至少第一图像投影单元和第二图像投影单元，并且被配置成并且可操作来沿着一般光路组合至少第一图像投影单元和第二图像投影单元的投影的光路，来自分别与所述第一图像部分和第二图像部分的所述投影的投影相关联的所述第一图像投影单元和第二图像投影单元的光束沿着一般光路被引导以朝着用户的眼睛传播，以将包括所述第一图像部分和第二图像部分的组合图像投影到视网膜上。
根据一些实施例，第一图像投影单元和第二图像投影单元以及所述眼投影光学模块可以被配置成并且可操作来使得由第一图像投影单元投影的第一图像部分被引导到用户眼睛的视网膜上的第一中央区域上，并且由第二图像投影单元投影的第二图像部分被引导到在视网膜的周边处的第二环形区域上。
在一些实施例中，第二图像投影单元可以被配置为以比由第一图像投影单元投影的第一图像部分的角范围大的角范围投影第二图像部分。
在一些实施例中，第一图像投影单元可以被配置为在视网膜的第一中央区域上投影第一图像部分，使得它覆盖视网膜的中央凹区域，并且第二区域覆盖围绕所述中央凹区域的视网膜的旁中央凹区域的至少一部分。
第一和第二投影单元可以进一步被配置成和可操作来允许相对较高图像投影质量的图像部分在视网膜的中央凹区域上的投影以及相对较低图像投影质量的图像部分在视网膜的周边区域上的投影。图像投影质量可以与以下项中的至少一个相关联：图像投影的角分辨率和颜色深度。
根据一些实施例，第一图像投影单元和第二图像投影单元中的至少一个可以是基于扫描的图像投影单元，其被配置为和可操作来通过在视网膜上扫描图像编码光束来投影图像。
根据一些实施例，系统可以进一步包括与眼跟踪模块相关联的控制单元，眼跟踪模块被配置成并且可操作来检测眼睛的注视方向的改变；并且其中所述眼投影光学模块包括轨迹模块，轨迹模块被配置成并且可操作来调整图像投影朝着眼睛的一般光路；所述控制单元适合于根据注视方向的检测到的变化来操作所述轨迹模块。
眼跟踪模块可以被配置成且可操作来检测眼睛的瞳孔相对于系统的横向位置的改变，并且所述控制单元适合于根据瞳孔的所述横向位置的检测到的改变来操作所述轨迹模块。
控制单元可以被配置成并可操作来操作所述轨迹模块以补偿所述检测到的变化并由此保持组合图像投影在视网膜上的固定位置处。
根据一些实施例，所述眼投影光学模块被配置为将输入光引导到用户的眼睛内并朝着视网膜通过瞳孔，使得光场的横截面(例如在全宽半高处或25％强度处)比用户的瞳孔小。这提供了具有相对于用户的瞳孔较小的直径的眼框(eye-box)。眼投影光学模块可以被配置成根据从眼跟踪模块接收的关于用户瞳孔的注视位置的数据来改变眼框的位置和角度中的至少一个，从而将所述出射光瞳与用户眼睛的光轴对准。
根据又一个实施例，该系统还可以包括控制单元，该控制单元被配置为且可操作来获得指示应该被投影到用户的眼睛的组合图像的内容的图像数据，并将所述图像数据分割成所述至少第一图像部分和第二图像部分，使得第一图像部分和第二图像部分是可由所述第一图像投影单元和第二图像投影单元投影到视网膜的中央区域和周边区域上的互补图像部分，从而将所述组合图像投影到视网膜上。
眼投影光学模块可以包括光学组合元件，该光学组合元件被配置为组合第一和第二图像投影单元的图像投影，使得由第一图像投影单元产生的并与所述第一图像部分的投影相关联的第一光场沿着垂直于所述眼投影光学模块的光轴的平面的中央区域传播，且由第二投影单元产生的第二光场在所述平面的相对于所述中央区域的周边区域处传播。
根据一些实施例，系统可以被配置成和可操作来使得沿着中央区域传播的所述第一光场朝着眼睛投影，使得它覆盖眼睛的视场的中心部分，从而提供到视网膜的中央凹区域的图像投影，并且在光路的周边处传播的所述第二光场覆盖视场的环形区域，从而提供到视网膜的旁中央凹区域的图像投影。
第一光场和第二光场可分别以较高和较低的图像投影质量被投影，并且第二投影单元被配置为提供到环形视场上的图像投影，从而提供到旁中央凹区域的图像投影。
另外或可选地，第一和第二光场可以在所述中央区域和周边区域之间的边界区域处重叠，从而提供在边界区域中的第一和第二图像部分的重叠部分的投影。第一图像部分和第二图像部分可以被配准，使得由第一图像投影单元和第二图像投影单元投影的所述重叠部分对应于相似的图像内容。
根据一些实施例，系统可以被配置为使得所述至少第一投影单元和第二投影单元中的每一个被配置为提供与以投影角范围αmax投影的图像对应的输出光，所述眼投影光学模块被配置为朝着用户的眼睛分程传递所述输出光，使得由所述第一投影单元和第二投影单元投影的图像分别以角范围α1 in和α2 in进入所述用户的瞳孔，并且α2 in>α1 in。α1 in可以对应于3°的角范围。α2 in可以对应于大于20°的角范围。
根据一些实施例，该系统可以被配置为用在头戴式显示单元中。
根据一些实施例，系统可以被配置为提供虚拟或增强现实体验。
在一些实施例中，眼投影光学模块可以被配置为将由第一和第二投影单元投影的图像引导至用户的眼睛，同时阻挡周围的环境光。
在一些实施例中，眼投影光学模块可以被配置成将由第一和第二投影单元投影的图像引导到用户的眼睛，同时允许周围的环境光的透射，从而提供透明显示。
附图简述
为了更好地理解本文中所公开的主题并且举例说明如何可以在实践中执行该主题，现在将参考附图仅通过非限制性示例的方式来描述实施例，在附图中：
图1A和图1B示出了根据本发明的眼投影系统和用于操作眼投影系统和一般控制单元操作的示意图；
图2示出了人眼的示意图；
图3示意性示出了根据本发明的技术产生的图像布置；
图4示出了根据本发明的一些实施例的眼投影系统的配置；
图5示出了根据本发明的一些其他实施例的眼投影系统的一种其它配置；
图6示出了根据本发明的一些实施例的在眼投影系统中使用的一些图像再现概念。
具体实施方式
如上面所指示的，在本领域中需要一种眼投影系统的新颖配置。一起参考图1A和图1B，其示意性示出了根据本发明的一些实施例的用于将图像投影到用户眼睛中的眼投影系统100和方法250。眼投影系统100被配置为生成图像并将生成的图像投影到用户的眼睛10中。为了简单起见，在此图中显示了一只眼睛；然而应当理解，通常图像投影系统100可以被配置成将图像投影到用户的两只眼睛，同时允许在右眼图像和左眼图像之间的某些差异，以提供三维体验。
眼投影系统100至少包括第一图像投影单元/模块130和第二图像投影单元/模块140(在下文中也被称为投影单元)以及光学模块120，其被配置为引导与由投影单元投影到用户眼睛10中的图像相对应的光以在用户的视网膜12上形成图像。该系统通常还可以包括或可连接到至少一个控制单元200。控制单元200通常被配置为再现图像数据并发送它以由第一投影单元130和第二投影单元140投影。
为此，再现待由两个或更多个(第一和第二)投影单元130和140投影的图像数据可以包括执行如即将描述的方法250的操作。控制单元200可以被配置成并且可操作来执行用于接收指示应该被投影到用户的眼睛的“投影图像帧”(在本文中也被称为组合图像)的内容的图像数据的操作251。例如，图像数据可以包括应当投影到视网膜上的图像的内容和布局(其中内容可以是应当同时投影到视网膜上的一个或更多个图像的信息，以及布局可以包括关于这些一个或更多个图像的投影的布置/布局的信息)。布局数据可以包括例如指示在视网膜上的图像的横向位置的横向定位数据(例如，关于在图像中的锚点的数据，锚点表示在眼睛的LOS和图像平面之间的交叉点)。控制单元200可适合于执行可选操作252，其用于处理图像数据以确定/产生指示应投影到视网膜上的组合光场(图像内容)的“投影图像帧”。例如，在一些情况下，通过将被包括在图像数据中的多个图像连接在一起同时根据布局数据将它们布置在帧中来形成“投影图像帧”。在可选的操作253中，控制单元执行配准操作以相对于眼睛的光轴(LOS)配准“投影图像帧”。换句话说，指示“投影图像帧”的对准位置的配准/对准数据是相对于眼睛的LOS(例如，配准/对准数据可以指示应当由眼睛的LOS轴交叉的在“投影图像帧”中的点)。
在操作254中，控制单元200将“投影图像帧”分割成两个或更多个分段(图像部分)，其将由两个或更多个(第一和第二)图像投影单元130和140投影。图像投影单元中的至少一个(例如130)适合于将图像(图像部分)投影到视网膜的中央(中央凹)区域上；并且图像投影单元中的至少另一个例如140适于将图像(图像部分)投影到视网膜的周边(旁中央凹)区域上。因此，在操作254中，控制单元200利用在253中获得的配准/对准数据，并且将“投影图像帧”分割成至少两个图像部分，其将分别由第一图像投影单元130和第二图像投影单元140投影到视网膜的中央凹区域和旁中央凹区域上。在这个方面中，应该注意，为了执行这种分割，控制单元可以利用投影单元配置数据，该投影单元配置数据指示第一图像投影单元130和第二图像投影单元140的投影参数(例如数值孔径(NA))(即关于由每个投影单元覆盖的视网膜的区域及其角范围的数据)。这允许控制单元200在图像投影单元130和140之间适当地分割和划分“投影图像帧”。
在255中，控制单元200执行对将分别由图像投影单元130和140投影的第一图像部分和第二图像部分的再现。控制单元200可利用投影单元配置数据(其可指示投影参数，例如由图像投影单元130和140提供的角分辨率和颜色深度)来相应地再现相应的第一和第二图像部分。在这个方面中，如上所指示的，被配置成将图像投影到视网膜的中央凹区域的第一图像投影单元130可以被配置成以比由第二图像投影单元140提供的角分辨率(DPI)和/或颜色深度更高的角分辨率(更高的DPI)和/或提高的颜色深度将图像投影到视网膜上，第二图像投影单元140将图像投影在视网膜的旁中央凹区域上。然后在操作256中，控制单元向第一图像投影单元130和第二图像投影单元140提供指示第一图像部分和第二图像部分的再现数据以由此进行投影。就此而言，根据本发明的眼投影系统100利用人眼的解剖结构的特征。参考图2，其示出了人眼的解剖结构。由于人眼的结构一般是已知的，所以它在此将不被详细描述，但说明视网膜(图1中的12)是收集光并产生要传送到大脑的数据的光敏区域就足够了。视网膜包括多个对光强(黑和白视觉)和波长(颜色视觉)敏感的光敏细胞。更具体地，视网膜包括对光度(光强度)敏感的杆式细胞(视杆)和对色度(颜色或波长)敏感的视锥细胞(视锥)。在视网膜的中心中的区域包括更大浓度的视锥细胞(波长敏感细胞)，并被称为中央凹(在图1中被标记为14)。中央凹负责提供位于视场的中心或关注中心处的详细图像。一般来说，中央凹区域提供更高的空间频率或更高的分辨率和可能更高的颜色感测能力，而旁中央凹区域提供低分辨率图像感知(为大脑提供关于场景的周边的模糊指示)以及可能较低的颜色感测能力，同时对在输入光场内的运动和梯度更敏感。
因此，图像投影单元130和140被配置成并可操作来投影要投影到视网膜上的组合光场(“投影图像帧”)的互补部分。第一图像投影单元130被配置成并且可操作来使得它可以以高图像投影质量投影被引导到视网膜的中央凹区域的第一图像部分(即再现/投影第一图像部分，使得它具有高角分辨率和/或高颜色深度)。第二图像投影单元被配置成以较低的图像投影质量(即与第一图像部分的角分辨率和/或颜色深度相比的降低的角分辨率和/或降低的颜色深度)投影第二图像部分(其将被引导到视网膜的旁中央凹区域)。
例如，图像投影单元130可以被配置成并且可操作来以高角分辨率投影投影图像帧的某些部分，该角分辨率是大约或低于每像素立体角的4弧分2。图像投影单元140可以被配置成并可操作来以低角分辨率投影投影图像帧的某些部分，该角分辨率是大约或高于每像素立体角的10弧分2。在一些实施例中，图像投影单元130被配置为用RGB颜色内容(例如颜色深度为至少8位(256种颜色)或更高(例如24位))投影它相应的图像部分。用于将图像投影到视网膜的周边上的图像投影单元140可以被配置成以较低颜色深度(例如，4位颜色深度(16种颜色))和/或在没有或有最少的颜色信息(例如灰度图像)的情况下投影它的相应图像部分。
为此，根据本发明的一些实施例，图像投影单元130可以被配置在扫描图像投影配置中(通过该扫描图像投影配置通过扫描(光栅扫描)用图像信息在时间上调制的光束来将图像投影在投影表面上(即在视网膜的相应中央凹区域上))。图像投影单元130的这种扫描图像投影配置便于以紧凑尺寸的图像投影单元130实现高质量图像投影。图像投影单元140可以被配置在扫描图像投影配置中；和/或空间图像投影技术，例如其利用空间光调制器来将它的相应图像部分投影到视网膜的旁中央凹区域上。
光学模块120被配置为组合由至少第一投影单元130和第二投影单元140投影的图像部分，并引导相应的光线以同时形成投影到用户眼睛10中的图像。另外，光学模块被配置为将由不同投影单元产生的图像引导到用户视网膜12的不同区域(例如中央凹和旁中央凹区域)上。
在这个方面中，应该注意，根据本发明的一些实施例，在方法250的分割操作254中，控制单元200将“投影图像帧”分割成两个(或更多)分段(第一和第二图像部分)，其沿着在它们之间的边界区域具有一些重叠。因此，在这样的实施例中，第一图像投影单元130和第二图像投影单元140被配置成并且可操作来将这些第一图像部分和第二图像部分投影到视网膜上，使得它们在它们之间的边界区域处重叠。因此，在边界上，由第一图像投影单元130和第二图像投影单元140在重叠中并且分别以高图像投影质量和低图像投影质量投影相似的图像信息。光学模块120可以被配置为组合由第一投影单元130和第二投影单元140生成的图像部分，以便维持在第一图像部分与第二图像部分之间的重叠。此外，光学模块可以被配置成和/或可操作来引导所投影的图像部分，使得在图像部分之间的边界实质上对应于在用户的视网膜中的中央凹的解剖学边界。该系统可以包括与中央凹图像的相对大小/角扩展和边界位置有关的设置参数用于用户选择，或者可以被固定以适合大多数用户的解剖结构。一般提供在图像部分之间的重叠以便于促进在投影在视网膜的中央凹区域上的图像的较高质量与投影在其旁中央凹区域上的图像部分的较低质量之间的所感知的平滑过渡，和/或补偿在用户之间的不准确性和解剖变化。
控制单元200还可以响应于关于眼睛10的定向和/或位置的眼跟踪数据(例如，从眼跟踪模块例如在IL专利申请号241033中公开的眼跟踪模块获得的)，并向光学模块120提供适当的命令以改变图像投影的一般路径，以便根据眼睛10的运动来校正图像投影的光路。例如，光学模块120可以包括轨迹模块(例如，诸如在图5中所示的124)，其可以包括例如可调节的注视跟踪光束偏转器和/或可调节的瞳孔位置光束偏转器(例如，其可以如在IL专利申请号241033中所述的被配置和可操作)。控制单元200可以被配置成和可操作来根据眼睛的注视方向(LOS的方向)和/或在眼睛的光轴与光学模块120的输出光轴之间的相对横向位移和/或相对角定向来调节这些偏转器中的一个或两个的位置以改变图像投影的一般传播路径；例如以保持在它们之间的实质上固定的相对定向和/或位移。实际上，当在眼睛的光轴和光学模块120的输出光轴之间保持固定的相对定向和位移时，来自第一投影单元130和第二投影单元140的图像/图像部分被投影在视网膜上的固定位置处。
可选地或另外地，在一些实施例中，控制单元200可以被配置成并且可操作来通过操作第一投影单元130和第二投影单元140以使由此投影的图像移动和/或弯曲来补偿在眼睛和光学模块120的光轴之间的相对定向和/或位移的一些/轻微改变/移动，使得所投影的光场以抵消在相对定向/位移的变化的方式来移动/弯曲。例如，下面参考图6更详细地例示使用这种技术来补偿小的眼运动。
因此，根据本发明的眼投影系统通常被配置成以增加的分辨率提供到视网膜的中央凹区域的图像投影，而以相对较低(例如，正常)的分辨率提供到围绕该中央凹的旁中央凹区域的图像投影。这使该系统能够降低关于高分辨率的图像的图像再现/处理的复杂度，同时将高分辨率图像提供给将实际上利用高分辨率图像并需要它的用户眼睛的区域。
图3示出了由本发明的眼投影系统生成的两部分图像。整个图像包括两个图像部分(通常至少两个，因为周边图像部分可以由几个投影单元所生成的几个子图像组成)，包括提供周边图像数据的旁中央凹/视网膜图像部分1400，其通常围绕关注中心；以及提供图像数据的主要部分并且对应于用户的关注中心的中央凹图像部分1300。中央凹图像部分1300通常可以相对于旁中央凹图像部分1400具有更高的分辨率。中央凹部分1300和旁中央凹部分1400的像素的实际数量可以是相同的或更高。由于由每个图像部分覆盖的不同区域(视场)，通常可以提供图像分辨率的差异。特别地，中央凹图像部分通常可以被投影以覆盖中央凹的实际区域或者稍微更大的区域，其相对于视网膜的周围区域明显更小。应该注意，如图3所示的图像部分例示了圆形视场。但是，通常视场可以是矩形的、椭圆形的或任何其他形状。投影图像的中央凹区域1300可以优选地具有圆形或椭圆形，以便覆盖中央凹的视场并因此优化眼睛的这个区域的清晰视觉能力。在图3中还例示了在用户瞳孔处的中央凹图像部分1300和旁中央凹1400图像部分的角范围。通常，中央凹图像部分的角范围可以是α1 in并且可以在3°和10°之间，并且优选地是大约5°。另外，在瞳孔输入处的旁中央凹图像部分的角范围可以高于20°，并且通常约为120°-180°。
参考图4和图5，示出了眼投影系统100的两种配置，其根据本发明的两个示例性实施例例示了光学模块120的更具体的配置。如图4所示，第一投影单元130和第二投影单元140分别与相应的初始中继模块122a和122b相关联。在图5的例子中，中继模块组合成单个中继模块122，其包括两个(通常至少两个)输入透镜L1a和L1b以及单个输出透镜L2。如图4和图5的两个例子中所示的，光学系统120可以优选地包括组合模块(M或M1和M2)、第一中继模块122和第二中继模块126以及跟踪/轨迹模块124。就此而言，第一中继模块——包括如图4中的单独中继模块或如图5中的组合中继模块——被配置成合并由第一投影单元130和第二投影单元140(或并行或级联地合并的额外投影单元)产生的图像投影，使得每个投影单元透射光以沿着垂直于投影光的一般传播方向的横截面在对应区域中形成图像部分(即，光场)。另外，图4示出了第一投影单元130和第二投影单元140的输出角范围αmax。如所指示的，第一投影单元130和第二投影单元140可以或可以不提供类似的输出角范围。光学系统120被配置为调整每个投影单元的角范围，如上面在图3中所述的。
参考图4，第一投影单元130和第二投影单元140中的每一个输出指示图像或图像流的光，其在图中由第一投影单元130的极端光线R1a和R1b和第二投影单元140的R2a和R2b标记。来自第一投影单元130的输出光被透射到中继模块122a的输入透镜中并被分程传递到轨迹模块124上。更特别地，从投影单元输出光线，使得在投影图像上的不同像素或不同点与光传播的相应的不同角度相关联。因此，极端光线R1a和R1b对应于投影图像上的两个极端点。中继单元122a的第一透镜L1a使光折射并将它引导到第二透镜L2a，其将输入光重新聚焦到轨迹模块124上。在中继单元122a的输出处，定位一个或更多个光束组合器M1和M2，如在图中所例示的。光束组合器M1和M2被配置为将由第一投影单元投影的光组合到由第二投影单元140投影的光的光路中。类似地，中继单元122b通常包括第一和第二透镜L1b和L2b，并且被配置为以实质上类似的方式分程传递来自第二投影单元140的光投影。示例性光线R2a和R2b示出投影单元140的极端光线。通常，中继单元122a和122b被配置为具有其透镜的适当选择的不同光焦度，并且光束组合器M1和M2被定位成使得由第一投影单元130投影的图像在图像投影的区域的中心处占据较小的面积，其由第二投影单元140所投影的图像的部分围绕，如在图3中所例示的。此外，应该注意，通常中继单元122a和122b以及光束组合器M1和M2都被配置为合并图像部分以形成公共图像平面(例如，在轨迹单元124上)。这确保用户眼睛的共同聚焦。
应该注意，中继单元122a(以及这里没有特别描述的任何其他中继单元，例如122b和126)可以包括额外的透镜，并且为了简单起见在这里被示为双透镜中继单元。还应当注意，中继单元的光学参数被选择为提供具有如通常已知的和/或可以由标准光学设计工具确定的期望分辨率和清晰度的适当成像。
由第一投影单元130和第二投影单元140生成的投影图像被引导到轨迹模块124上。轨迹模块124可以包括例如一个或更多个移动光偏转器/反射镜(例如，如上讨论的注视跟踪光束偏转器和/或瞳孔位置光束偏转器)，其被配置成改变其定向，以利用根据眼睛移动的跟踪确定的一般光路来引导照射在其上的光。轨迹模块124和眼跟踪技术可以具有任何已知的配置，并且如上面所指示的，在转让给本申请的受让人的IL专利申请号241033中描述了示例性配置。
如上面所指示的，图5示出了第一中继模块122的额外配置，其被配置为在中继模块内组合来自第一投影单元130和第二投影单元140的投影图像。中继模块122利用公共第二透镜L2，同时对第一投影单元130和第二投影单元140利用单独的第一透镜L1a和L1b。如所示，来自第二投影单元140的输出通过透镜L1b和L2被分程传递到轨迹模块124上。选择透镜L1b和L2的位置和光焦度，以提供(由极端光线R2a和R2b例示的)投影光的角分布，以为用户的周边视觉提供期望角分辨率。由极端光线R1a和R1b例示的第一投影单元130的光输出由输入透镜L1a收集，该输入透镜L1a将发散光转换成朝着光束组合器M传播的一组平行光线。光束组合器M——其如上面所指示的，可以利用单个表面(例如反射表面)或多个表面或者可以被配置为部分反射表面(例如分束器类型)——被配置为引导第一投影单元130的输出光以与来自第二投影单元140的光输出一起传播并位于来自第二投影单元140的光输出的横截面的中心处。通常，光束组合器M可以被配置成在视场的横截面的中心处的区域内阻挡来自第二投影单元140的光透射。然而在一些配置中，光束组合器M可以被配置为部分地透射通过其的光，并且因此允许由第二投影单元140产生的光的至少一部分在视场的中心处通过。在一些另外的实施例中，光束组合器M可以在中央区域处阻挡并在其周边处透射，以允许在由第一投影单元130和第二投影单元140生成的图像之间的图像投影中的平滑过渡。组合的投影光进一步被第二透镜L2收集，并被引导/聚焦到轨迹模块124上。
关于这一点，应当注意，光束组合技术，即利用如图4和图5中的一个、两个或更多个光束组合器可以提供在由第一投影单元130进行的图像投影(中央凹图像)和由第二投影单元140进行的图像投影(旁中央凹图像)之间的某些重叠。为此，一个或更多个光束组合器可以被配置为提供光的50％反射和50％透射的分束表面，和/或被配置为具有在表面的周边的高透射(反射)和在表面的中心处的高反射(透射)的非均匀光束组合器表面。因此，可以使在中央凹图像和旁中央凹图像之间的过渡相对平滑。还应当注意，图形处理单元(GPU)通常可以被配置成再现不同的图像部分以便提供如上所述的平滑过渡。例如，GPU可以被配置成在调整图像部分边界处的图像亮度时再现图像，以避免从图像组合导致的尖锐梯度。
一般来说，根据如在本文参考图1、图4和图5描述的本发明，第一投影单元130和第二投影单元140可以是任何类型的投影单元，并且可以优选地被配置为扫描激光投影单元。通常，扫描激光类型的投影单元可以提供关于光强的更高效率以及在投影图像的分辨率方面的更高效率。一般，第一投影单元130和第二投影单元140可以配置成具有类似的规范，同时提供为其控制单元(图1中的200)或图形处理单元(GPU)发送的不同图像数据的投影。尽管光学模块被配置为组合第一和第二投影单元(130和140)的图像投影，如在图3中一般例示的，但是被提供给第二投影单元140的图像数据可以指示包括中央(中央凹)区域的完整图像，或者它可以包括对应于环形图像(即，具有孔区域的周边图像，其中由第一投影单元130投影的图像被组合)的图像数据。
如上面所指示的，第一投影单元130和第二投影单元140优选地可以是扫描激光型投影单元。在这种投影单元中，光栅光偏转器(移动反射镜，例如利用MEMS)被配置成在角扫描范围(角投影范围)αmax内扫描激光束。光学模块120组合并引导至少第一和第二投影单元的光，使得在用户的瞳孔处，由第一投影单元产生的光具有角范围α1 in，并且由第二投影单元产生的光具有大于α1 in的角范围α2 in。实际上，在用户瞳孔处的不同光传播角度对应于视场内的不同点。这是当光投影的角分辨率通常对应于所感知的图像的分辨率时。发明人已经发现，基于人眼的解剖结构，由第一投影单元进行的光投影的输入角范围α1 in优选地被配置为在约3°的范围内。在一些配置中，光学模块120及其中继模块126被配置为提供大约α1 in＝5°的角范围，以确保在视网膜内的中央凹区域的覆盖。优选地根据由第一投影单元130提供的图像分辨率来确定角范围α1 in，使得在用户的输入瞳孔处的角分辨率超过每像素2弧分，并且优选地超过每像素1弧分。与由第一投影单元130进行的投影相反，由第二投影单元140进行的光投影通常被配置为在视场的周边内提供有意义的图像。因此，与由第二投影单元140进行的图像投影相关联的角范围α2 in优选地大于20°，并且在一些配置中可以大于70°，以提供具有宽视场的用户图像投影并且提供在投影图像内的存在感。第二投影单元140可以提供相似数量的不同角点，使得角范围越大，角分辨率就越低。
当使用扫描激光型投影单元时，激光束通常可以包括来自发射三种或更多种基色(例如红、绿和蓝)的三个或更多个激光单元的光束，并且被配置为根据扫描定向来改变每种颜色的强度，以提供期望图像数据的成像。光学模块120被配置为分程传递从第一投影单元和第二投影单元输出的光，以便将所投影的光引导到用户的眼睛上。通常，光学单元、且更特别地其中继模块126被配置为将输入光引导到用户的眼睛中，使得在用户瞳孔(即，眼框)处的光的横截面具有相对于用户瞳孔的更小的直径。更特别地，在强照明条件下，光的横截面直径(例如，全宽半高测量或标准偏差测量)相对于瞳孔直径较小。这是当轨迹模块124根据检测到的注视方向(LOS)和/或瞳孔的位置(例如由于眼睛/LOS相对于眼投影系统100的移动)来使一般光路偏转以改变眼框(系统的出射光瞳)的位置和角度时。还应当注意，投影单元的输出强度优选地足够低或衰减，以避免损坏并且优选地避免用户的不适，投影单元是基于非激光或非扫描的扫描激光器，并且在一些实施例中是空间光调制器图像投影单元(例如基于LCD)。
关于这一点，应当注意，根据本发明的由光学模块120使用的直接投影技术规定以输入光场传播到视网膜上的图像平面的方式将图像投影到眼睛视网膜上。这通常被实现，而不考虑用户眼睛的聚焦距离/配置(其通常基于到感兴趣对象的真实或虚拟距离来控制)，因为眼框尺寸或在瞳孔处的光场的横截面通常小于瞳孔直径。这提供了具有在视网膜上的增大的聚焦深度的图像投影。因此，图像被投影以在眼睛晶状体的实质上任何聚焦状态下实质上聚焦在视网膜上。例如，图像可以以相当大的聚焦深度被投影，允许它保持聚焦在视网膜上，而眼睛晶状体在4米至∞的宽焦距范围内处于任何聚焦状态。
一般来说，根据本发明的一些实施例，如图4和图5中所例示的眼投影系统利用投影图像到用户眼睛中的光学中继。关于这一点，本发明的技术组合投影单元(例如，第一和第二投影单元)的投影图像，并且组合的光场穿过跟踪眼睛的运动的轨迹模块124，并且通过中继模块126传输到眼睛。因此，光学模块120可以被配置为相对于眼睛定向、照明条件、图像特性、用户偏好等优化投影。这是当由投影单元投影的不同图像部分被组合以将图像部分引导到用户视网膜中的相应区域时。如上面所指示的，在本发明的一些实施例中，第一投影单元提供导向在用户眼睛中的中央凹区域的图像投影，而第二投影单元提供导向在视网膜处中央凹周围的周围图像。使用一个或更多个光束组合器和第一中继模块组合投影图像。后者通常还被配置为调整投影图像的扩展，使得在由第一投影单元投影的“中央凹”图像中的像素密度相对于在由第二投影单元投影的周围“视网膜”图像中的像素密度更大。通常，中央凹图像以对应于480p、720p、1080p或更高的分辨率投影到相对于每个方向视场的大约3°到5°的角部分上。旁中央凹/视网膜图像以实质上相似数量的像素被投影；然而，投影图像被分程传递到用户的眼睛，使得它占据用户视场的预定部分，同时以低投影强度留下与如图3所示的中央凹图像相对应的中央凹区域，从而允许由第一投影单元130对中央凹图像的投影。
因此，光学模块的配置允许根据眼跟踪和图像特性来调整出射光瞳和一般光路。还应该注意，通过提供导向中央凹的高分辨率图像和较低分辨率周边图像数据，系统可以优化体验，同时降低计算复杂度。此外，为了补偿小的眼睛移动，与眼投影系统相关联的图形处理单元(GPU)可以被配置成再现与稍微大于所投影的实际图像数据的区域相对应的图像数据。因此，再现的图像数据存在，并且可以基于在投影时眼睛的确切位置来直接传输到投影单元。这在图6中被例示，图6示出了中央凹图像1300和视网膜1400图像的再现区域。更特别地，当对应于区域1300和1400的图像数据被投影到用户的眼睛中时，GPU处理对应于下一帧的图像数据。GPU生成的图像数据对应于比区域1300和1400大的区域1310和1410。区域1310和1410包括通常在由图像部分1300和1400界定的视场之外的图像数据，其在本文被称为肩部图像数据。当在新处理的图像中向投影单元(130和140)传输数据时，控制单元(200)使用眼跟踪技术指示什么是用户瞳孔的确切位置，并且所处理的图像的相应部分被投影。这种技术通过提供已经再现的肩部图像数据片段来实现图像变化，补偿小的眼睛运动。关于这一点，在均匀分辨率投影中向用户眼睛的中央凹区域提供高分辨率(即，低于每像素立体角的4弧分2)需要生成具有非常大数量的像素的图像数据(具有这种空间分辨率的全半球图像需要几乎30兆像素)。本发明的技术允许提供具有理想的高感知角分辨率的图像投影，同时将图像分辨率降低到不太敏感的眼睛区域。因此，中央凹图像利用提供低于每像素4弧分的角分辨率的高像素密度，而旁中央凹图像提供较低的角分辨率(例如，每像素约10弧分)。这允许控制单元及其GPU生成与较低分辨率图像相对应的图像数据，例如用于中央凹图像的约5兆像素和用于旁中央凹图像的约5兆像素，总共提供约10兆像素的再现图像数据。
因此，本发明提供了一种用于向用户的眼睛投影图像的系统。该系统被配置为降低图像再现复杂度和从处理/再现单元到投影单元的数据传输，同时向用户提供理想的高分辨率图像。该系统通常被配置为基于导向用户视网膜的对应部分的两个或更多个图像部分来生成组合图像投影，并且被配置为最佳地利用视网膜的不同区域的局部灵敏度。本领域中的技术人员将容易认识到，在不背离所附权利要求中定义并由其界定的本发明的范围的情况下，各种修改和改变可应用于如上文描述的本发明的实施例。

Claims (27)

1.一种用于在视网膜图像投影中使用的系统，包括：
至少第一图像投影单元和第二图像投影单元，其被配置且可操作来分别投影至少第一图像部分和第二图像部分；以及
眼投影光学模块，其光学地耦合到所述至少第一图像投影单元和第二图像投影单元，所述眼投影光学模块包括：
两个初始中继模块，其分别与所述第一图像投影单元和第二图像投影单元相关联，用于分别分程传递所述第一图像部分和第二图像部分的光；以及
光束组合器，其被配置且可操作以沿着一般光路组合来自所述至少第一图像投影单元和第二图像投影单元的所述第一图像部分和第二图像部分的投影的光路，所述第一图像部分和第二图像部分的光束沿着所述一般光路被引导以朝着用户的眼睛传播，用于将包括所述第一图像部分和第二图像部分的组合图像投影在视网膜上；并且
其中，所述两个初始中继模块包括具有不同的光焦度的相应的光学元件，使得由所述第一图像投影单元投影的所述第一图像部分在所述组合图像中比由所述第二图像投影单元投影的所述第二图像部分占据更小的面积和更大的像素密度。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述两个初始中继模块被配置为两个单独的中继模块或者被配置为组合中继模块。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述第一图像投影单元和第二图像投影单元以及所述眼投影光学模块被配置且可操作来使得由所述第一图像投影单元投影的所述第一图像部分被引导到所述用户的眼睛的视网膜上的覆盖所述视网膜的中央凹区域的第一中央区域上，并且由所述第二图像投影单元投影的所述第二图像部分被引导到在所述视网膜的周边处的覆盖所述视网膜的旁中央凹区域的至少一部分的环形的第二区域上。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述第一图像投影单元和所述第二图像投影单元被配置为以比由所述第一图像投影单元投影的所述第一图像部分的角范围大的角范围来投影所述第二图像部分。
5.如权利要求3所述的系统，其中所述第一图像投影单元被配置为将所述第一图像部分投影在所述视网膜的第一中央区域上，使得它覆盖所述视网膜的所述中央凹区域，并且所述第二区域覆盖所述视网膜的围绕所述中央凹区域的所述旁中央凹区域的至少一部分。
6.如权利要求3所述的系统，所述系统被配置且可操作来使得分别由所述第一图像投影单元和第二图像投影单元产生的第一光场和第二光场分别以较高和较低的图像投影质量被投影；以及其中，所述第二光场被投影到环状视场以用于覆盖所述视网膜的所述旁中央凹区域的至少一部分；以及其中，所述第一光场和所述第二光场在所述中央凹区域和所述旁中央凹区域之间的边界区域处重叠，从而提供在所述边界区域中的所述第一图像部分和所述第二图像部分的重叠部分的投影；以及所述第一图像部分和所述第二图像部分被配准，使得所述第一光场和所述第二光场的所述重叠部分对应于相似的图像内容。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述第一图像投影单元和第二图像投影单元被配置且可操作以允许相对较高颜色深度的图像部分投影在所述视网膜的中央凹区域上以及相对较低颜色深度的图像部分投影在所述视网膜的周边区域上。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述第一图像投影单元和第二图像投影单元被配置且可操作以允许相对较高角分辨率的图像部分投影在所述视网膜的所述中央凹区域上以及相对较低角分辨率的图像部分投影在所述视网膜的所述周边区域上。
9.如权利要求1到8中的任一项所述的系统，其中所述第一图像投影单元和所述第二图像投影单元中的至少一个是被配置且可操作用于通过在所述视网膜上扫描图像编码光束来投影图像的基于扫描的图像投影单元。
10.如权利要求1到8中的任一项所述的系统，还包括与眼跟踪模块相关联的控制单元，所述眼跟踪模块被配置且可操作来检测眼睛的注视方向的改变；并且其中所述眼投影光学模块包括轨迹模块，所述轨迹模块被配置且可操作来调整图像投影朝着所述眼睛的一般光路；以及所述控制单元适合于根据所述注视方向中的检测到的变化来操作所述轨迹模块。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述眼跟踪模块被配置且可操作来检测所述眼睛的瞳孔相对于所述系统的横向位置的改变，并且所述控制单元适合于根据所述瞳孔的所述横向位置的检测到的改变来操作所述轨迹模块。
12.如权利要求10所述的系统，其中所述控制单元被配置且可操作来操作所述轨迹模块以补偿所述检测到的改变并由此保持所述组合图像被投影在所述视网膜上的固定位置处。
13.如权利要求1到8中的任一项所述的系统，其中所述眼投影光学模块被配置为将输入光引导到用户的瞳孔内，其中光场横截面相对于所述用户的瞳孔较小。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述眼投影光学模块被配置成根据从眼跟踪模块接收的关于所述用户的瞳孔的注视位置的数据来改变眼框的位置和角度中的至少一个，从而将出射光瞳与用户的眼睛的光轴对准。
15.如权利要求1到8中的任一项所述的系统，包括控制单元，所述控制单元被配置且可操作来获得指示应该被投影到用户的眼睛的组合图像的内容的图像数据，并将所述图像数据分割成所述至少第一图像部分和第二图像部分，使得所述第一图像部分和所述第二图像部分是由所述第一图像投影单元和所述第二图像投影单元可投影到所述视网膜的中央区域和周边区域上的互补图像部分，从而将所述组合图像投影在所述视网膜上。
16.如权利要求1到8中的任一项所述的系统，其中所述眼投影光学模块包括光学组合元件，所述光学组合元件被配置为组合所述第一图像投影单元和所述第二图像投影单元的图像投影，使得由所述第一图像投影单元产生的并与所述第一图像部分的投影相关联的第一光场沿着垂直于所述眼投影光学模块的光轴的平面的中央区域传播，且由所述第二图像投影单元产生的第二光场在所述平面的相对于所述中央区域的周边区域处传播。
17.如权利要求16所述的系统，所述系统被配置且可操作来使得沿着所述中央区域传播的所述第一光场朝着眼睛投影，使得它覆盖所述眼睛的视场的中心部分，从而提供到所述视网膜的中央凹区域的图像投影，并且在所述光路的周边处传播的所述第二光场覆盖所述视场的环形区域，从而提供到所述视网膜的旁中央凹区域的图像投影。
18.如权利要求16所述的系统，其中所述第一光场和所述第二光场分别以较高和较低的图像投影质量被投影，并且其中第二图像投影单元被配置为提供到环状视场上的图像投影，从而提供到所述视网膜的旁中央凹区域的图像投影。
19.如权利要求16所述的系统，其中所述第一光场和所述第二光场在所述中央区域和所述周边区域之间的边界区域处重叠，从而提供在所述边界区域中的所述第一图像部分和所述第二图像部分的重叠部分的投影。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述第一图像部分和所述第二图像部分被配准，使得由所述第一图像投影单元和所述第二图像投影单元投影的所述重叠部分对应于相似的图像内容。
21.如权利要求1到8中的任一项所述的系统，其中所述至少第一图像投影单元和第二图像投影单元中的每一个被配置为提供与以投影角范围αmax投影的图像对应的输出光，所述眼投影光学模块被配置为朝着用户的眼睛分程传递所述输出光，使得由所述第一图像投影单元和所述第二图像投影单元投影的图像分别以角范围α1 in和α2 in进入所述用户的瞳孔，并且α2 in>α1 in。
22.如权利要求21所述的系统，其中α1 in对应于3°的角范围。
23.如权利要求21所述的系统，其中α2 in对应于大于20°的角范围。
24.如权利要求1到8中的任一项所述的系统，其中所述系统被配置为提供虚拟或增强现实体验。
25.一种被配置为提供虚拟现实体验和增强现实体验中的至少一个的头戴式显示单元，包括如权利要求1到8中的任一项所述的系统。
26.如权利要求25所述的头戴式显示单元，其中所述眼投影光学模块被配置为将由所述第一图像投影单元和所述第二图像投影单元投影的图像引导至所述用户的眼睛，同时阻挡周围的环境光。
27.如权利要求25所述的头戴式显示单元，其中所述眼投影光学模块被配置成将由所述第一图像投影单元和所述第二图像投影单元投影的图像引导到所述用户的眼睛，同时允许周围的环境光的透射，从而提供透明显示。
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