CN110088664A - 用于近眼观察的可穿戴显示器 - Google Patents

Abstract

光学装置具有激光源，以将调制光导向扫描镜和限定焦面的物镜。光瞳中继光学器件将扫描镜处的第一光瞳传递到眼睛晶状体处的第二光瞳，光瞳中继光学器件限定在光瞳之间延伸的光轴，并且具有弯曲镜，该弯曲镜透射大致一半的调制光束并且在第一光瞳处具有第一曲率中心，并且在来自扫描镜的光路中具有第一偏振器，以将第一偏振和第一角度的入射光反射到弯曲的镜面并透射正交偏振和第二角度的入射光，其中，光瞳中继光学器件将调制光束两次引导到第一偏振器，并且其中第二次入射的调制光被准直并指向第二光瞳。

Description

用于近眼观察的可穿戴显示器

相关申请的交叉引用

本申请要求以David Kessler等的名义于2016年11月28日临时提交的，名称为“用于近眼观察的可穿戴显示器”的美国临时申请序列号62/426655的权益，将其整体并入本文。

技术领域

本发明总体涉及近眼显示器，更具体地说，涉及利用采用具有同心设计的光瞳中继配置的成像装置的显示器。

背景技术

已经提出了许多用于从可穿戴设备提供图像内容的解决方案。已经描述了各种类型的护目镜、眼镜和其他装置，用于向佩戴该装置的观察者显示图像内容。这些设备可以是完全沉浸式的，使得观察者仅看到由装置生成的图像，并且在佩戴设备时不能看到外界，从而提供虚拟现实(VR)显示。或者，真实世界的不同程度的可见性由其他设计提供，使得生成的图像作为增强现实(AR)或混合现实显示叠加在真实世界图像上，或者以某种方式用于补充位于观察者视场中的真实世界视觉内容。

可穿戴显示设备提供相当大的承诺，用于提供信息和显示补充图像，该补充图像可以在许多领域中提高性能和效率并且可以帮助增强观察者对视场中的视觉内容的理解。例如，在医学和牙科学中，查看先前存储的图像内容，并且可选地，查看后处理的图像内容或查看当前从另一个有利位置获取的图像内容的能力可以帮助从业者更准确地获得有助于诊断和治疗的详细数据。目前仅可从高成本3-D成像系统获得的成像数据可以以可用的格式提供，以便在较便宜的可穿戴成像设备上观察，该设备允许从业者在活跃的临床环境中获得该信息。立体成像具有增强的空间理解和相关细节的改进呈现，对于那些使用医学成像指导或医学数据治疗患者的技术人员以及其他领域的技术人员特别有用。此外，甚至由眼镜提供的非立体2-D图像内容的呈现，该眼镜允许清晰地看到主要视场而不受阻碍，可用于各种功能，例如包括用于患者监测以及远程医疗和远程诊断或治疗指导。

对于已经提出用于可穿戴显示器的许多装置，由于设备尺寸、体积和不适、部件和图像定位、差的图像质量、眼睛疲劳和其他困难，观察者以某种方式受到设备的阻碍。虽然已经概述了许多用于提供更自然的观察体验的巧妙解决方案，并且已经引入了许多改进图像质量的进步，但是用于许多这些解决方案的形状因素仍然难以赢得对这些设备的广泛接受，特别是对于长期使用或在工作或娱乐活动期间。它们庞大的尺寸和外观仍然认为是限制可穿戴成像设备对许多人的吸引力的重要因素。

尽管多年的设计努力和优化，包括小型化的集成和改进的成像技术，设计具有可接受的人体工程学和高图像质量的可穿戴显示装置已证明是持续的挑战。用于具有自然的“感觉”并且易于佩戴和使用的可穿戴显示设备的可行解决方案仍然是难以捉摸的。因此，可以理解，需要一种用于单眼或立体显示器的可穿戴设备，其提供高图像质量，并且重量轻，价格低廉，易于使用，并且比传统设计在人体工程学上更少侵入性和复杂，并且提供增强的显示机会而不妨碍或减少主要视场。

发明内容

本发明的一个目的是推进直接虚拟视网膜显示的技术，更一般地称为虚拟图像呈现，用于从可穿戴装置观察虚拟或增强现实。本公开的实施例提供了一种可穿戴观察装置，其提供合适的图像质量，对观察者在视场上的可见性几乎没有或没有障碍。本公开的实施例可以提供改进的观察装置，其减少传统头戴式显示器(HMD)的许多光学、生理和人体工程学约束。本公开的实施例可以提供一种可穿戴观察装置，其具有增加的视场，具有在超近眼成像布置中的扫描、光束宽度调节和相关光学部件的通用布置，包括具有在眼睛的物体焦距内的光学部件的实施例。

这些目的仅通过说明性示例给出，并且这些目的可以是本发明的一个或多个实施例的示例。通过所公开的发明固有地实现的其他期望的目的和优点可以发生或者对于本领域技术人员而言变得显而易见。本发明由所附权利要求限定。

根据本公开的一个方面，提供了一种用于近眼观察的光学装置，包括：

激光光源，可激励以将光束导向扫描镜；

弯曲的镜面，与扫描镜光学同心并且部分透射；

第一偏振器，其设置在扫描镜和弯曲的镜面之间，第一偏振器具有第一偏振轴；

四分之一波片，其设置在偏振器和弯曲的镜面之间；

第二偏振器，其设置在弯曲的镜面下游，并具有与第一偏振轴正交的第二偏振轴。

根据本公开的替代方面，提供了一种由观察者佩戴的光学装置，包括：

激光光源，可激励以将调制光束导向扫描镜；

在导向扫描镜的调制光束的路径上的物镜，

其中物镜和扫描镜为调制光束限定弯曲的焦面；

光瞳中继光学器件，其设置成将扫描镜处的第一光瞳中继到观察者眼睛晶状体处的第二光瞳，光瞳中继光学器件限定沿第一和第二光瞳之间的光轴延伸的光路，该光路包括：

(i)弯曲的镜面，其设置成透射从调制光束入射的光的大致一半，并且在第一光瞳处具有第一曲率中心；以及

(ii)第一偏振器，其设置在光路中，用于接收来自扫描镜的光，并形成为将第一偏振的入射光朝向弯曲的镜面反射，并透射与第一偏振正交的第二偏振的入射光，其中由光瞳中继光学器件限定的光路将调制光束两次导向第一偏振器，并且其中第二次入射在第一偏振器上的调制光束被准直并导向第二光瞳。

附图说明

如附图所示，本发明的上述和其他目的、特征和优点将从以下对本发明实施例的更具体描述中变得显而易见。附图的元件不一定相对于彼此按比例缩放。

图1A是示意性俯视图，示出了观察者的水平视场。

图1B是示意性侧视图，示出了向前看的站立的观察者的垂直视场，具有正常和周边视场。

图1C是示意性侧视图，示出了向前看的坐着的观察者的垂直视场，具有正常和周边视场。

图1D是示出眼睛的部分以及眼睛的物体和图像焦距的横截面图。

图1E是示出根据本公开的实施例的图像源的部件的示意图。

图1F是示出用于成像装置的目镜的传统“薄饼”设计的示意图。

图2A是示出根据本公开的实施例的用于近眼观察的成像装置中的光瞳中继的部件的透视图。

图2B是示出根据本公开的光瞳中继实施例的用于近眼观察的成像装置的部件的侧视图。

图2C是用于近眼观察的光瞳中继的替代实施例的侧视图。

图3A和3B是示出根据本公开的实施例的用于扫描和预聚焦的输入光学器件的示意图。

图3C列出了用于输入光学器件的表面和透镜特性。

图4A示出了使用具有“薄饼”光学配置的光瞳中继进行近眼观察的成像装置的配置的侧视图。

图4B列出了用于图4A的折射配置的表面和透镜特性。

图4C示出了使用光瞳中继进行近眼观察的成像装置的配置的透视图。

图4D示出了图4A的配置的侧视图。

图4E示出了图4A的配置的俯视图。

图4F示出了具有折叠光路的系统。

图4G是图4A的配置的分解侧视图。

图4H是图4A的配置的透视图。

图4I是图4A的配置的透视图。

图5A和5B分别示出了观察者面部上的成像装置的侧视图和主视图。

图6A和6B示出了根据本公开的替代实施例的采用光瞳中继的成像装置的示意性侧视图。

图6C示出了根据本发明另一实施例的成像装置中的光瞳中继的透视图。

图6D示出了成像装置的侧视图。

图7A-7D示出了成像装置相对于观察者眼睛的不同视图。

图8A示出了具有用于校正失真的分束器的对称布置的示意性侧视图。

图8B示出了图8A的布置的透视分解图。

图8C示出了由于如果未经校正而扫描图4A的实施例而可能发生的梯形失真。

图8D示出了针对该失真实现的校正。

具体实施方式

给出本文提供的附图是为了说明根据本发明的沿其各自光路的操作原理和部件关系，并且不是为了示出实际尺寸或比例而绘制的。为了强调基本的结构关系或操作原理，可能需要夸大一些。为了简化本发明的描述，在附图中未示出实现所描述的实施例所需的一些传统部件，例如用于提供电力，用于包装和用于安装的支撑部件。在随后的附图和文本中，相同的部件用相同的附图标记表示，并且可以省略关于部件和布置或已经描述的部件的相互作用的类似描述。

在使用它们的地方，术语“第一”、“第二”等不一定表示任何序数或优先关系，而是可以用于更清楚地区分一个元件或时间间隔与另一个元件或时间间隔。术语“多个”表示至少两个。

在本公开的上下文中，术语“可激励的”描述了能够在接收功率时执行功能并且可选地在还接收到使能信号时执行功能的部件或设备。

在本公开的上下文中，位置术语如“顶部”和“底部”，“向上”和“向下”，以及类似的表达用于描述性地，以区分组件或结构的不同表面或视图，并未描述组件在光学装置中的任何必要方向。本文使用的术语“上游”和“下游”具有它们的常规用法，并且当光沿着光路行进时指的是光或光调节或重定向部件的相对位置。

在本公开的上下文中，术语“耦合”旨在表示两个或更多个部件之间的机械关联、连接、关系或链接，使得一个部件的布置影响与其耦合的部件的空间布置。对于机械耦合，两个部件不需要直接接触，而是可以通过一个或多个中间部件连接。

在本公开的上下文中，术语“左眼图像”描述在观察者的左眼中形成的虚拟图像，“右眼图像”描述在观察者的右眼中形成的对应的虚拟图像。短语“左眼”和“右眼”可以用作形容词以区分用于形成立体图像对的每个图像的成像部件，因为立体成像领域的技术人员广泛理解该概念。

光学光瞳中继系统限定光轴和光路，该光路将入射在第一位置处的第一光瞳处的光束传递到第二光瞳位置。也就是说，在第一位置处从孔径出来的扫描光束都导向为在第二位置处重叠，具有可能的放大率。在本公开的实施例中，不需要光瞳放大率；本文描述的光瞳中继光学器件可以是1：1中继。然而，可以提供额外的放大率。在各自的第一和第二光瞳位置处光束角度不相同；在输入光瞳到中继系统时，光束是发散的，并且在输出光瞳处，光束是准直的。在光瞳中继系统中，输入和输出光瞳由光学部件清楚地限定。

众所周知，光学系统具有两组共轭表面。第一组共轭表面包括物体和光学系统的图像表面；第二组共轭表面包括入射光瞳和出射光瞳。默认情况下，当讨论成像时，应当理解的是，共轭表面是物体和图像表面。在光学领域和本公开中使用的术语“光瞳中继”用于强调光学系统的主要功能是将入射光瞳成像到出射光瞳。使用光瞳中继光学器件可以实现成像；然而，如光学设计领域的技术人员所熟悉的，操作原理基于第一光瞳到第二光瞳的中继。

根据系统是物体到图像成像器还是光瞳中继，对光学系统的像差校正的要求不同。由于成像系统通常与非相干光一起使用，因此物体点之间的相位差异很小或没有兴趣。然而，在光瞳中继中，入射光瞳处的相位是一个考虑因素。通常，光瞳中继接收以某个视场角在入射光瞳处居中的准直光束，并提供通常在出射光瞳处准直并居中的输出光束，并且输入光束的相位不会降低。

如光学设计领域的技术人员所熟知的，对应于两组共轭，可能需要校正两组像差。在光学领域的技术人员中，与入射光瞳到出射光瞳的共轭相关联的像差组称为“光瞳像差”。例如，众所周知的成像系统是授予Offner的题为“Unit Power Imaging CatoptricAnastigmat”的美国专利号3,748,015中公开的“Offner系统”。Offner系统设计成用于在图像平面上的弧上进行校正。然而，它不作为中继进行校正，即使在轴上，进入的准直光束也会严重降级。Kessler的题为“Concentric Afocal Beam Relay”的US 8,274,720讨论了将Offner成像器转换成无焦光瞳中继所需的步骤和重要修改。

值得注意的是，大多数光瞳中继是无焦的。也就是说，对于光瞳中继，输入光束和输出光束都是准直的。该系统通常没有功率，但通常由两组组成，两组都具有光功率，其中每组光学器件是有焦的。这两组的组合以相同的方式导致无焦中继，该方式为无焦的开普勒望远镜由两个具有中间焦平面的阳性组组成，其中两组由其两个焦距明显分开。

用于本公开的实施例的光瞳中继是有焦的。有焦光瞳中继限定接收聚焦输入光束并输出准直光束的光路。通常，有焦光瞳中继包括多个透镜元件和相关的光学部件，这些光学部件可以形成为少量的组，其中组合的元件粘合在一起或者紧密地聚集在一起。与使用分离组(例如镜子)的无焦中继相比，这种特性使得有焦光瞳中继紧凑。Oka的美国专利申请公开号2011/0242635中给出了无焦中继的示例。应该注意的是，光路跟踪光轴，但不一定与每个点处的光轴共线。光轴可以是连接两个光瞳的单个未衰减线，或者可以折叠并具有多个具有不同方向的线段，例如使用镜子或反射偏振器光学器件，如后续实施例中所述。

与一般的成像光学器件相比，光瞳中继的特征在于输入和输出光瞳由光学系统几何结构清楚地限定。本公开的有焦光瞳中继光学器件执行对成像任务特别重要的两个功能：(i)将扫描镜所在处的入射光瞳与在观察者眼睛的虹膜位置处的出射光瞳共轭；(ii)准直弯曲的输入焦面。

通过与有焦光瞳中继相比，无焦中继仅提供第一功能(i)，入射光瞳和出射光瞳的共轭。由于输入光束已经被准直并且中继系统没有光功率，因此无焦中继不提供准直。

在本公开中使用的术语“倾斜”描述了不平行或法向的角度关系，即，不是90度的整数倍。在实践中，如果两个光学表面从平行或法向偏移至少约+/-2度或更多，则认为两个光学表面相对于彼此是倾斜的。类似地，如果线和平面从平行或法向偏移至少约+/-2度或更多，则认为线和平面彼此倾斜。基本上平行的平面平行于+/-2度内。同样地，基本平行的光束平行于约+/-2度内。

在本公开的上下文中，术语“约”在参考测量使用时意味着在实践中接受的测量误差和不准确性在预期公差内。必须允许一些合理的公差，例如，对于确定特定观察者视场范围的测量差异，因为它将从一个从业者到另一个的测量而变化。

微机电系统(MEMS)设备包括许多机械部件，这些机械部件提供使用类似于用于形成半导体设备的微加工技术制造的小型机械和机电元件(即，设备和结构)的系统。MEMS设备可以从不具有移动元件的相对简单的结构变化到具有在集成微电子控制下的多个移动元件的极其复杂的机电系统。在MEMS设备中，至少一些元件具有机械功能，无论元件本身是否可移动。MEMS设备可以替代地称为“微机械设备”或使用微系统技术形成和操作的设备。各个MEMS元件的物理尺寸可以从远小于1微米到几毫米的范围变化。在本公开的上下文中，MEMS设备提供可机械移动的元件，例如反射器，其可激励以在时间上和空间上调制光，以便使用光栅扫描图案提供虚拟图像。

与用于形成真实图像的方法相反，虚拟图像不形成在显示表面上。也就是说，如果显示表面位于虚拟图像的感知位置，则不会在该表面上形成图像。虚拟图像由光学系统形成，该光学系统还确定诸如远点、视角宽度和其他特征的观察参数。虚拟图像显示器具有用于增强现实和虚拟现实观察的许多固有优势。例如，虚拟图像的尺寸不受显示表面的尺寸或位置的限制。另外，用于虚拟图像的源物体可能很小；作为一个简单的示例，放大镜提供了其物体的虚拟图像。众所周知，与投影真实图像的系统相比，可以通过形成设置为出现一定距离之外的虚拟图像来提供更逼真的观察体验。仅使用调制光提供虚拟图像也消除了补偿屏幕或其他显示伪影的任何需要，这在形成真实图像时可能是必要的。

在常规使用中，术语“视场”(FOV)广泛地涉及在日光观察条件下具有相对正常视力的观察者可用的整体视场。通常在正交的水平和垂直方向上测量视场。图1A示出了根据本公开如何定义水平视场的角部分。水平单眼视觉限制通常认为略微超过120度，以中央水平视线S1为中心，如线16和18之间所界定。水平FOV中的符号识别通常认为是在距离水平视线S1约+/-30度的区域中，如线56和58之间所界定。

垂直视场，如本文提到的测量，在图1B中示意性地示出。限定水平视线S1，对于站立的观察者，通常在大约0度于水平延伸，从真水平变化不超过大约+/-2度。水平视线定义为眼睛的主要位置，其中视网膜平面与横向视觉头平面共面。该平面由眼睛的主要视网膜平面、眼球核和钙质皮质限定。它定义为与眦耳线具有恒定的关系并垂直于Listing平面。具有正常视力的成年观察者的完整垂直FOV通常从水平线上方大约60度(表示为+60度)延伸到水平线下方约75度(表示为-75度)；用于显示虚拟图像的正常“可用”垂直视场(FOV)F1通常认为是在水平视线S1上方+25度至下方-30度的角度范围内定义的。

可以将视场的不同部分彼此区分开。由于视网膜锥体密度最大而具有最高视敏度的中央凹视力包含人类视场的中心部分。该区域使用大约50％的光路。因此，由于高视网膜锥体浓度，提供高质量敏锐度和色觉的旁凹视力通常认为是在不超过视线的约+/-5度的角度α内。大约十度的旁凹视场围绕视线通常是圆形的，在22英寸的距离处具有大约四英寸的直径。作为成人观察者的近似，该区域将略微小于在手臂长度处保持的标准光盘(CD)或数字视频光盘(DVD)的表面。在该区域之外，视场认为是周边的并且提供越来越少的视觉信息。由于人眼的视网膜视杆分布，大部分周边视觉信息位于超出旁凹视场的前20度内。

对于本文所述的实施例，正常可用垂直FOV F1大于旁凹FOV，并且定义为在视线的约+25至-30度的范围内。FOV F1通常认为是在颜色辨别的范围内，该颜色辨别对于越来越远在该区域之外的视角显著降低。图1B和1C示出了正常垂直FOV F1的下部，在前方水平视线S1下方，如在水平视线S1的角度θ内所限定。位于观察者+60至-75度垂直视觉范围内但在正常垂直FOV F1上方或下方区域内的区域认为是“垂直周边视觉”场，或者简称为分别具有上部和下部F2A、F2B的周边垂直场。

图1B示出了周边垂直场的两个部分，在视线S1上方的上部F2A和在水平视线S1下方的相应的下部F2B。上部F2A位于距视线S1约60度(由线12示出)与FOV F1的上部界限之间，其在视线S1上方约25-30度。周边垂直场的下部F2B位于FOV F1下方，其向下延伸至约-30度；部分F2B由距视线S1约-75度(如线14所示)所界定。因此，周边垂直FOV的下部F2B位于相对于水平视线S1的约-30度和-75度之间。

视线S1通常跟踪头部位置。例如，对于坐着的观察者，参考视线S1倾向于从水平向下移动约15度。限定旁凹和周边场的所有其他垂直坐标和角度相应地移动，如图1C中示意性所示。在本公开的上下文中，垂直场的参考视线S1认为对应于站立的观察者的水平线，对于坐着的观察者而言，与水平面倾斜约15度。在下面的描述中，该视线称为水平视线。

如图1D的横截面侧视图所示，视为主要具有透镜24和角膜28的光学部件的人眼E的光学系统具有由透镜24、角膜28的几何形状和周围介质确定的焦距。对于具有正常的未矫正视力的成年人，眼睛E具有约16.7mm的前焦距F_o。正常的未矫正的成人眼睛E具有约22.3mm的后焦距F_i。前焦距F_o在空中；后焦距F_i在眼睛E的折射液体介质内，这有效地缩短了实际的光学距离尺寸，如图1D所示。为了清楚起见，在图1D中未示出虹膜，其形成作为成像系统的眼睛的光瞳并将孔径限制为小于约7mm。在明亮的光线条件下，由虹膜控制的光瞳直径平均仅约2.5mm。“正常”眼睛可以将来自远处物体的平行光线聚焦到视网膜26上，其中平行光线认为是无限远，到达眼睛E后部的视网膜26上的点，在该点处开始处理视觉信息。然而，当物体靠近眼睛E时，肌肉改变透镜24的形状，使得光线在视网膜26上形成倒置的真实图像。透镜前方的理论焦点区域是物体图像区域。

图1E的示意性框图示出了根据本公开实施例的用于形成调制光束的图像生成器212的部件。控制逻辑处理器20从存储器或从某些其他图像源(例如通过无线传输(例如蓝牙))获得图像数据，并提供必要的定时和控制信号，以在观察者的每只眼睛中形成图像。控制逻辑处理器20与光模块30进行信号通信，并调制来自模块30的光，以便提供彩色图像内容。提供频率、持续时间、强度和颜色调制。根据实施例，光模块30分别提供来自红色、绿色和蓝色激光二极管32r、32g和32b的调制光，沿光路并通过可选的物镜L10耦合到光导，例如光纤40。调制光束的特征在于可变颜色、持续时间和强度的激光脉冲。必须对该光进行光栅扫描才能形成可识别的图像。光纤40将源光引导到MEMS扫描仪装置50，例如通过可选的准直透镜L12。除了光束尺寸之外，可选的准直透镜L12可以改变焦点。可以替代地使用可选的扩束器。当激励时，MEMS扫描仪装置50通过以光栅扫描模式通过输入透镜240反射来自光纤40的光进行扫描，随后将更详细描述。功率由电源22提供，例如电池。

在提供立体成像的实施例中，可以为每只眼睛E提供光纤40和扫描仪装置50。(为清楚起见，图1E中仅示出了单眼E的系统。)相同的光模块30可用于为双眼产生图像，例如同步产生左眼和右眼调制光；或者，每只眼睛E可以具有单独的光模块30，其具有由控制逻辑处理器20提供的适当的图像处理逻辑，以及形成每个左眼和右眼图像的用于光路的适当光处理部件。

光模块30可以是商业上可获得的模块化部件，用于根据输入图像数据产生调制光束，例如来自Microvision，Inc.，Redmond，WA的微型投影仪设备。仅作为示例，该设备使用来自三个基色激光二极管的光，在638nm(红色)、517nm(绿色)和450nm(蓝色)下，来形成图像。其他波长可用于原色。激光器可以是低功率1类设备，其光可以指向观察者的眼睛，而不用担心认为是有害的能量水平。来自每个原色激光器的光可以单独提供，从而以快速顺序提供红色、绿色和蓝色光束。或者，可以组合不同主波长的光束以形成彩色图像。用于光束组合的技术包括例如使用二向色组合器。光束的光斑尺寸可以彼此不同，例如为了提高效率。可以准直光束以提供最小的最佳尺寸或者放大光束以过度填充小型或大型MEMS扫描镜，如随后更详细描述的。光束可以从一般的高斯轮廓转换为平顶轮廓，以改善光束均匀性。

示例性光纤40可以是单模光纤。如下所述，这种类型的光导可以容易地装配到用于将扫描仪装置50安装在观察者的脸部上的带中。光纤可以具有成角度的或其他形状的终端，例如以帮助防止背反射。单根光纤可用于引导来自所有激光二极管32r、32g、32b的光。或者，可以使用三根光纤，在扫描仪装置50的光输出处拼接在一起以形成单根光纤。

在特定的可穿戴成像装置中使用的扫描仪装置50的光学部件可以变化，并且除了MEMS扫描仪设备之外，还可以包括，替代类型的反射和折射中继光学器件，可能提供或不提供光学功率的折叠光学器件，以及用于将图像内容扫描到眼睛E中的其他部件。参考本公开的后续实施例描述可以是扫描仪装置50的一部分的替代部件。

图1F的示意图示出了用于为观察者形成图像的目镜的传统“薄饼”光学系统90的分解图。光学系统使用偏振将调制光束的光路折叠回自身，并采用具有弯曲镜M1的反射聚焦光学器件。弯曲镜M1限定光轴OA。传统的图像源60是阴极射线管或提供二维(2-D)像场的其他发射表面。图像源60位于弯曲镜M1的前焦面处。从每个场点向眼睛E提供准直光束。对于传统的薄饼光学设计，放大率非常大并且可以认为是有效的无限远。

薄饼系统90如下工作：来自CRT或其他图像源60的调制光束的非偏振光由偏振器POL1线性偏振，并通过四分之一波片QWP1转换成左旋圆偏振光。光线通过半透明弯曲镜M1；一半的光被反射和丢失。镜子M1认为是“部分透射的”或“半透射的”或“半透明的”，使得它透射至少约35％的来自QWP1的入射光，优选地透射50％的入射光并反射50％以获得峰值效率。部分透射或半透明的弯曲镜不能透射超过65％的入射光。

透射的圆偏振光穿过另一QWP2以变为垂直线性偏振光并引导到反射偏振器、偏振分束器PBS1，其将大部分光反射回弯曲镜M1。来自PBS1的反射光再次穿过QWP2以变为右旋圆偏振。弯曲镜M1再次反射大约一半的光并且从透射中损失另一半。来自镜子M1的反射偏振光现在是左旋圆偏振，并由四分之一波片QWP2转换成水平偏振光，穿过反射偏振器或偏振分束器PBS1并通过可选的清洁偏振器POL3进入观察者的眼睛E。光通过四分之一波片(QWP)的每次透射使相位延迟45度移位，改变偏振态。

尽管看似复杂的偏振和光引导机制，但是薄饼光学器件运行良好，但是代价为最初从光源60产生的光的损失超过75％。这种低效率和大量光损失使得薄饼光学配置不能用于具有传统调制光源的许多应用。然而，申请人已经认识到，考虑到使用具有MEMs调制的激光的高水平光衰减，这种光学配置是有用的，其中希望限制提供给观察者眼睛盒的光能。

有利地，这种配置在轴上使用镜子，而不需要提供其他装置来将输入光束从输出光束分离到镜子中，并且不需要折叠光路的一个或另一部分用于成像。传统技术采用分束器用于眼睛和镜子之间的光路重定向，例如在Google公司的Google-Glass^TM系统中或通过倾斜弯曲镜来完成，从而引入大的轴外像差。

因此，与倾斜镜系统相比，薄饼设计具有在更大视场(FOV)上更高分辨率的优点。与使用分光器的单镜系统相比，薄饼光学设计更小，具有更好的眼睛缓解。

实施例#1

图2A的透视图和图2B的侧视图示出了根据本公开的实施例的使用1：1光瞳中继装置250布置的用于近眼观察的成像装置200的部件。该实施例采用光学“薄饼”配置作为光学中继系统，使用用于光束成形和聚焦的反射部件，其限定光轴并将输入光瞳中继到输出光瞳。利用图2A和2B所示的布置，成像装置200将图像生成器212处的输入光瞳P1中继到观察者眼睛E处的输出光瞳P2。换句话说，成像装置200将焦面214处的弯曲图像(其中焦面214处产生的图像占据相对于光学器件的“物体”位置)传送到视网膜R处的图像场。也就是说，除了它作为光瞳中继光学器件的作用，装置200还向视网膜R成像弯曲的空间“物体”，在焦面214处形成的真实图像，其由来自图像生成器212的聚焦的扫描调制光束产生。

图像生成器212由入射光瞳P1处的扫描镜提供，其引导聚焦的调制光束以在焦面214处形成弯曲的空间图像，作为用于由成像装置200后续成像的“物体”。空间图像处的调制光线性偏振并引导到偏振器210，偏振器210透射第一偏振光并反射与第一偏振正交的第二偏振光。透射的调制光引导通过提供相应的相位延迟的四分之一波片216并到达弯曲镜220，其是部分反射的(标称50％反射)、部分透射的(标称50％透射)并且用作一类分束器，聚焦调制光束。来自镜子220的一部分光的反射使光的圆偏振反转，当沿相反方向行进时，其透射通过四分之一波片216。通过镜子220透射的光偏振，被圆偏振器230吸收。从镜子220反射的光已经改变了圆偏振并且从偏振器210反射并且通过四分之一波片216返回。该光的一部分行进穿过弯曲镜220并透射通过以由可选的圆偏振器230进行清洁。这种清洁有助于去除任何可能导致图像重影的具有正交偏振的泄漏光。来自成像装置200的准直光引导通过观察者的眼睛E并到达输出光瞳P2，并最终引导到观察者的视网膜R，形成如图所示的图像。

图2B的薄饼光学系统是具有与图2A布置类似的元件210、216、220和230的光瞳中继装置250。在该第一实施例中，在部件之间存在空气空间，因此术语“空气薄饼”可以应用于该光学装置。

设置在来自扫描镜的光的路径中的偏振器210形成为将以相对于光轴OA发散的第一角度入射的第一偏振入射光朝向弯曲镜220表面透射。然后，偏振器210以相对于偏振器表面的法线成第二角度来反射来自镜子220，第二偏振的,入射光，该第二偏振与发射的入射光的第一偏振正交。偏振器210和弯曲镜220沿光路设置以配合，将调制光束引导到偏振器210两次。因此，偏振器210处于进出弯曲镜220的光的路径中，并且将光路折回到朝向弯曲镜220。第二次离开偏振器的光被准直并指向光瞳P2并相对于光轴OA会聚。

与其中薄饼配置形成目镜以准直光源的传统布置不同，本公开的实施例使用薄饼光学器件以将图2B中的扫描镜212中继到观察者的虹膜232。这形成了光瞳中继，其中图2A上的入射光瞳P1位于扫描镜处，P2是眼睛处的出射光瞳。这里的薄饼光瞳放大率是有限的，例如，优选约-1(负1)。

焦面214和镜子220处的弯曲图像相对于由弯曲镜220限定的光瞳P1基本同心，焦面214和镜子220处的图像在图像生成器212处共享曲率的中心或共享曲率轴。图像生成器212的扫描镜的旋转轴和弯曲镜220的曲率中心沿着相同的线。

在本公开的上下文中，当两个特征共享曲率的相同公共轴和曲率中心到在两个弯曲特征的较大径向距离的20％以内时，这两个特征认为相对于光瞳P1或P2“基本上同心”，使得它们各自的曲率中心之间的距离的任何微小差异都小于距该轴或中心的较大径向距离的20％。

偏振器210和230可以是例如线栅偏振器，例如来自Moxtek Inc.，Orem，UT的设备。

由本公开的实施例的光瞳中继光学器件限定的光路的设计基本上是无像差的。离轴光束遇到与轴上光束完全相同的光学器件，因此不存在通常限制了光学系统的性能的诸如彗形像差、像散和失真的轴外像差。因此，该显示系统能够提供大的FOV。根据实施例，图2A和2B所示的系统具有水平43度，垂直28度的FOV。

注意在图2A和图2B中，视网膜R理想地表示为平坦表面，因为该模型中的眼睛晶状体表示为理想的近轴透镜。当使用更逼真的眼睛模型来表示眼睛时，视网膜表示为弯曲的视网膜。

图2A和2B所示的实施例也可以与一对一光瞳中继一起使用，其中镜子220的曲率沿光轴OA反转，如图2C所示。在光瞳中继装置260中，在焦面214处形成的空间图像是圆偏振光。名义上一半的光被半透明弯曲镜220拒绝，一半被透射。透射部分通过QWP 216以变为线性偏振，并因此从反射偏振器210反射回弯曲镜220。该光被准直并通过偏振器210引导回光瞳P2，在正交偏振中，其通过偏振器210朝向虹膜232透射。可选的清洁偏振器236可用于消除可能已经通过反射偏振器泄漏的错误偏振的光。弯曲镜220的曲率半径在光瞳P2处或以光瞳P2为中心。与图2A的实施例一样，首先入射在偏振器210上的光相对于光轴OA发散。第二次入射在偏振器210上的光被准直并沿光轴OA引导。

根据使用图2A-2C布置的替代实施例，弯曲镜220不是50-50半透明镜，而是用作弯曲的反射偏振器，透射第一偏振光并反射正交偏振态的光。平坦反射偏振器210由半透明镜代替。成像领域的技术人员可以理解，使用弯曲镜220作为反射偏振器并使用平坦的半透明镜可以进行另外的变化。

输入光学器件

图3A的侧视示意图和图3B的展开图示出了输入光学器件240，其在本公开的各种实施例中预先聚焦引导通过偏振器210和光瞳中继的其他部件的光。物镜244位于产生的调制光束的路径中，该光束导向扫描镜242。透镜244通过扩展输入光束并将其聚焦到扫描镜242和光瞳中继之间的位置来调节调制光，从而限定并形成焦面214(图2A、2B)。物镜244可以由两个元件组成，以胶合双合透镜的形式或间隔开，如下所示。假设使用三个或更多不同波长的激光束，可以使用现成的双合透镜来校正中继的轴向颜色。由于系统的其余部分是对称的和反射的，并且通过输入光学器件校正轴向颜色，因此在该系统中没有轴向或横向色差。关于图2A、2B、2C和随后的实施例，输入光学器件240聚焦光以在焦面214处形成弯曲的空间图像。扫描镜242可用于折叠光路并从定向光束形成2-D图像。

仅作为示例，图3C列出了根据本公开的实施例的输入光学器件240的表面和透镜特性。

光源可以是扫描激光器或其他固态光源。

实施例#2

图4A至图4I示出了根据本公开的实施例的用于近眼观察的成像装置400中的光瞳中继装置450的全玻璃薄饼配置的不同视图。与图2A和2B的先前实施例一样，装置450是在约-1的放大率下工作的有限共轭光瞳中继。焦面414和透镜L1的弯曲的输入表面92相对于光瞳P1基本上同心。透镜L1的输出表面420和透镜L3的输出表面94基本上相对于光瞳P2同心。在由光瞳中继装置450限定的光路中，偏振器430接收相对于光轴OA处于发散角的第一偏振光，并将该光反射回形成在透镜L2上的部分反射的弯曲表面420，其聚焦该光。通过QWP424的两次透射将光束的偏振改变为与偏振器430处的第一偏振态正交的第二偏振态。偏振器430发射返回的光，现在准直并指向光瞳P2。

光瞳中继装置450的一些或所有部分可以定位在眼睛的物体焦距内，16.7mm。该能力适用于随后描述的其他光瞳中继装置实施例。

图4B列出了根据本公开实施例的用于成像装置400的示例性透镜和偏振器表面。

图4C是示出成像装置400的透视图，其中输入光学器件240设置在扫描镜242的一侧。

在本公开的实施例中，透镜L1、L2和L3可以不是球形的。图4D示出了成像装置400的垂直视图。扫描在与页面平面垂直的方向上。

图4E示出了成像装置400的水平视图。扫描在与页面平行的平面中的水平方向上。

如图4F所示，可以折叠光路以减小总长度和设备占地面积。作为示例示出了折叠镜454、456。

图4G示出了图4A的光瞳中继装置450的薄饼布置的分解图，示出了沿着由该光学系统限定的光路的偏振状态。入射光瞳P1处的扫描镜412引导光以在焦面414处形成弯曲的空间物体。光是圆偏振的，或者在输入光束处被圆偏振或者作为线性偏振光进入并且在扫描镜412(未示出)之后通过可选的四分之一波片(QWP)呈现为圆偏振。该光通过第一透镜L1并通过部分反射表面420折射到第二透镜L2。然后光通过四分之一波片QWP 424并变为线性偏振(在图4G中显示为垂直偏振)。该光遇到反射偏振器430并且朝向表面420反射回来再次通过QWP 424。然后，大约一半的光被半透明表面420反射。透镜L2的弯曲420表面上的反射使来自其聚焦位置的光束准直作为焦面414处的空间物体。准直光然后第三次通过QWP424，并变为线性偏振(在图4G中显示为水平偏振光)。该光通过偏振器430和第三透镜L3。该输出光从表面420引导到出射光瞳P2处的虹膜440。可选地，清洁线性吸收偏振器(未示出)可以放置在透镜L3和光瞳P2处的虹膜之间。焦面414和透镜L1的输入表面96与输入光瞳P1基本同心。输出表面98和100以及镜面420与光瞳P2基本同心。虹膜440位于光瞳P2处。焦点平面414位于镜子420的前焦面处，反射通过偏振器430。

图4H和4I示出了光瞳中继装置450的透视图。

图5A和5B分别示出了观察者面部上的成像装置400的侧视图和主视图。可以提供传统的安装件，例如眼镜架、带或其他结构(未示出)，用于将成像装置400定位在观察者的眼睛附近，例如在眼睛晶状体的焦距内。

单中心实施例

图6A和6B示出了处于两种配置的成像装置600的侧视示意图。在图6A中，来自图像生成器212的光在输入光瞳P1处的扫描镜由输入光学器件240引导到对角偏振分束器610，该对角偏振分束器610将光引导通过四分之一波片616并且引导到相对于光瞳P2同心的球形弯曲镜620。在两次穿过QWP 616之后，光现在具有与输入光束正交的偏振。透过PBS 610的光导向位于眼睛E的光瞳P2。与图2A的实施例一样，最初入射在偏振器(这里是偏振分束器610)上的调制光束是发散的并且处于第一偏振。返回到偏振分束器610的光被准直并且处于与第一偏振正交的第二偏振。

图6B类似于图6A，不同之处在于首先透射来自光瞳P1的光，然后从PBS 610反射。

图6C示出了成像装置600的透视图。

图6D示出了成像装置600的侧视图。

偏振器610可以是例如线栅偏振器，例如来自Moxtek Inc.，Orem，UT的设备。

图6A-6D的实施例是光学单中心的，输入光瞳P1(图像发生器212)和输出光瞳P2相对于弯曲镜620的曲率中心为光学中心。从图6A和6B可以看出，光瞳P1和P2相对于镜子620处于相同的光学位置。

图7A-7D示出了成像装置600相对于观察者眼睛的不同视图。

对称实施例

图8A的示意性侧视图和图8B的透视图示出了具有分束器110的4A成像系统的对称布置修改。分束器110可以是偏振分束器，有助于校正梯形失真。当输入光束如图4C所示以某个角度接近扫描镜242时，可以引起梯形失真，如图8C中的图像场的轮廓所示。图8C示出了当入射角与轴成25度时具有43×25度视场的未校正梯形失真。虚线表示无失真场。可以通过电子修改发送到成像系统的图像数据或者通过在扫描镜242和中继450光学器件之间添加轻微的非球面失真校正元件(未示出)来校正该失真。分束器110限定了入射到扫描镜242中的零角度的光路，然后减小图8C所示的失真并使其更加对称，如图8D所示。物镜244具有两个透镜元件，两个透镜元件由气隙隔开。当作为偏振分束器PBS提供时，可选的四分之一波片246有助于减少来自分束器110的损失。第二四分之一波片248将来自分束器110的光改变回圆偏振光。镜子220可以是半透射镜子，如图4A中的镜子420，接着是另一个四分之一波片252。来自镜子220的在轴上反射的光从分束器110反射并被丢弃。元件L1、镜子220、四分之一波片252和偏振器230可以是单个胶合单元。在胶合单元和透镜L2之间可能存在气隙。

根据图8A和8B所示的实施例，来自光模块30的入射调制光束是S偏振的。在由光瞳中继装置450限定的光路中，该光从偏振分束器110反射并通过四分之一波片(QWP)246引导到扫描镜242，变成圆偏振。扫描镜242将调制光束反射回通过QWP 246，将调制光束的偏振改变为P偏振状态。然后，P偏振光透射通过分束器110并通过QWP 248，其将偏振态改变为圆偏振。该光通过透镜L1传送。一部分光沿着光轴OA从半透射镜220反射回来。该反射光再次穿过QWP 248并变为S偏振，使得它从分束器110反射并被丢弃。同时，透射通过半透射镜220的调制光束的部分穿过另一个QWP 252，其将其偏振改变为S偏振态。该发散光被偏振器230反射，然后从镜子220反射，现在被准直并指向光瞳P2。在第二次穿过QWP 252时，准直的调制光变为P偏振并透过偏振器230并透射到输出透镜L2。

本公开的装置提供了一种适用于虚拟现实(VR)或增强现实(AR)观看以及混合现实和智能玻璃观看的光学装置。由于其光学对称性，成像装置基本上是无像差的。该装置不同于基于目镜使用的AR或VR光学配置，该光学配置例如使用反射光学器件，以及不同于折射光学系统，该折射光学系统准直和放大图像源，例如LCOS(硅基液晶)显示器或使用微镜设备阵列形成图像的设备。

本公开的实施例提供了沿水平轴至少约40度的FOV。因为它提供相对窄的光束，所以本公开的成像装置可能需要眼睛跟踪的硬件来检测观察者的眼睛运动。可以提供相应的校正以补偿眼睛运动。

根据本公开的实施例，提供一种用于近眼观察的光学装置，包括：激光光源，其可激励以将光束引导到扫描镜；弯曲的镜面，其与扫描镜光学同心，部分透射；第一偏振器，其设置在扫描镜和弯曲的镜面之间，第一偏振器具有第一偏振轴；四分之一波片，其设置在偏振器和弯曲的镜面之间；第二偏振器，其设置在弯曲镜的下游，并具有与第一偏振轴正交的第二偏振轴。

术语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例性”的任何方面不必解释为比其他方面优选或有利。

已经具体参考目前优选的实施例详细描述了本发明，但应该理解，可以在本发明的精神和范围内进行变化和修改。例如，尽管以上描述集中于形成一只眼睛的图像，可以容易地理解，使用立体成像领域的技术人员熟悉的方法，使用相应的元件和逻辑来形成和协调用于右眼图像和左眼图像的图像内容所需的立体图像。形成的图像可以是立体的或双目的，即，具有提供给双眼的相同图像内容用于单视场显示。

因此，目前公开的实施例在所有方面都认为是说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求表示，并且在其等同物的含义和范围内的所有变化都包含在其中。

Claims (16)

1.一种由观察者佩戴的光学装置，包括：

激光光源，其可激励以将调制光束导向扫描镜；

在调制光束导向扫描镜的路径的物镜，

其中物镜和扫描镜为调制光束限定弯曲的焦面；

光瞳中继光学器件，其设置成将扫描镜处的第一光瞳中继到观察者的眼睛晶状体处的第二光瞳，光瞳中继光学器件限定第一和第二光瞳之间的光路，光路包括：

(i)弯曲的镜面，其设置成透射从调制光束入射的光的大致一半，并且在第一光瞳处具有第一曲率中心；以及

(ii)第一偏振器，其设置在光路中，用于接收来自扫描镜的光，并形成为将第一偏振的入射光朝向弯曲的镜面反射，并透射与第一偏振正交的第二偏振的入射光，其中由光瞳中继光学期器件限定的光路将调制光束两次引导到第一偏振器，并且其中第二次入射在第一偏振器上的调制光束被准直并导向第二光瞳。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，光瞳中继光学器件还包括第二偏振器，其设置在调制光的路径中并形成为反射第一偏振的入射光并透射第二偏振的入射光。

3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，光瞳中继光学器件还包括第二偏振器，其设置在调制光的路径中并形成为反射第二偏振的入射光并透射第一偏振的入射光。

4.根据权利要求1所述的光学装置，其中，第一偏振器是偏振分束器。

5.根据权利要求1所述的光学装置，其中，第一偏振器是线栅偏振器。

6.根据权利要求1所述的光学装置，其中，焦面与弯曲的镜面同心。

7.根据权利要求1所述的光学装置，其中，弯曲的镜面在第一光瞳处具有曲率中心。

8.根据权利要求1所述的光学装置，其中，弯曲的镜面在第二光瞳处具有曲率中心。

9.根据权利要求1所述的光学装置，还包括沿光路的一个或多个四分之一波片。

10.一种由观察者佩戴的光学装置，包括：

激光光源，其可激励以将调制光束引导通过物镜并朝向分束器，其中分束器将一部分光束引导到扫描镜，其中物镜和扫描镜为调制光束限定弯曲的焦面；

光瞳中继光学器件，用于将扫描镜处的第一光瞳中继到观察者的眼睛晶状体处的第二光瞳，光瞳中继光学器件限定沿第一和第二光瞳之间的光轴延伸的光学路径，并且包括：

(i)在来自弯曲的焦面的光路中的第一透镜；

(ii)弯曲的镜面，其透射从调制光束入射的光的大致一半，并且在第一光瞳处具有第一曲率中心；以及

(iii)第一偏振器，其设置在来自扫描镜的光路中，并形成为将第一偏振的入射光和相对于光轴以会聚角朝向弯曲的镜面反射，并透射第二偏振的入射光，其中第二偏振与第一偏振正交，并且其中第二次入射在第一偏振器上的调制光束被准直并导向第二光瞳。

11.根据权利要求10所述的光学装置，其中，分束器是偏振分束器。

12.根据权利要求11所述的光学装置，还包括第一四分之一波片，其设置在分束器和扫描镜之间的光路中。

13.根据权利要求12所述的光学装置，还包括第二四分之一波片，其沿光轴设置在分束器和第一透镜之间。

14.根据权利要求10所述的光学装置，其中，来自激光光源的光是圆偏振的。

15.一种由观察者佩戴的光学装置，包括：

激光光源，其可激励以将调制光束引导通过物镜并到达扫描镜以形成弯曲图像；以及

光瞳中继光学器件，设置成将扫描镜处的第一光瞳中继到观察者眼睛晶状体处的第二光瞳，光瞳中继光学器件包括：

(i)第一偏振器，其设置在来自扫描镜的光路中，并形成为以发散角反射第一偏振的入射光并且透射与第一偏振正交的第二偏振的入射光，并且准直并导向第二光瞳；

(ii)弯曲的镜面，其透射从第一偏振器入射的光的大致一半，其中弯曲镜在第一和第二光瞳处都具有曲率中心，并且其中弯曲图像形成在弯曲镜的焦面上；以及

(iii)在第一偏振器和弯曲镜之间的光路中的四分之一波片。

16.根据权利要求15所述的光学装置，还包括安装件，所述安装件将一些部分或全部光瞳中继光学器件布置在观察者的眼睛晶状体的焦距内。