CN114207501A - 用于利用扩展光束近眼观看的可穿戴显示器 - Google Patents
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Abstract
一种光学装置，具有将调制光束导向扫描镜的激光源。物镜和镜限定了弯曲的聚焦表面，其曲率中心在扫描镜处。数值孔径扩展器符合同心曲面聚焦表面。瞳孔中继光学器件将入射瞳孔中继到观看者的出射瞳孔，瞳孔中继光学器件定义入射瞳孔和出射瞳孔之间的光路。光路具有曲面镜表面，以透射来自调制光束的一半光，并且在入射瞳孔处具有第一曲率中心。光路中的第一偏振分束器接收来自扫描镜的光，以反射第一偏振的入射光并透射第二偏振的入射光。光路将调制光束两次导向第一偏振器。
Description
相关申请的交叉引用
本申请主张以David Kessler和Adam J.Davis的名义于2019年6月19日提交的美国临时申请S/N 62/863300(标题为“WEARABLE DISPLAY FOR NEAR-TO-EYE VIEWING WITHEXPANDED BEAM”)的权益，并将其全部并入本申请。参考Kessler等人共同指定的标题为“WEARABLE DISPLAY FOR NEAR-TO-EYE VIEWING”的待授权共同美国专利申请US2018/0149862。
技术领域
本公开总体上涉及近眼显示器，更具体地，涉及采用成像装置的显示器，该成像装置采用具有同心设计的瞳孔中继构造。
背景技术
已经提出了许多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看者显示图像内容。这些设备可以是完全沉浸式的，使得观看者仅看到由该装置生成的图像，并且在佩戴该设备时没有能力看到外部世界，从而提供虚拟现实(VR)显示。可选地，通过其他设计提供真实世界的不同程度的可见性，使得生成的图像作为增强现实(AR)或混合现实(MR)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看者视野中的真实世界的视觉内容。
可穿戴显示设备为提供信息和显示互补图像提供了很大的希望，可以提高许多领域的性能和效率，并有助于增强观看者对视野中视觉内容的理解。例如，在医学和牙科中，查看先前已经存储并可选地进行后处理的图像内容的能力，或者当前正在从另一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将有助于诊断和治疗的详细数据。目前只能从高成本三维成像系统获得的成像数据可以以可用的格式提供，以便在较便宜的可佩戴成像装置上查看，这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改善的相关细节呈现，对于那些使用医学成像指导或医学数据治疗患者的人以及其他领域的技术人员来说特别有用。此外，即使由眼镜提供的非立体2-D图像内容的呈现也可以用于各种功能，包括在患者监测、远程医疗、远程诊断或治疗指导以及工业、消费电子和其他应用中的使用，所述眼镜使得主视野清晰可见，没有障碍。
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、笨重和不舒适、组件和图像定位、图像质量差、眼睛疲劳和其他困难，观看者在某种程度上受到设备的阻碍。尽管已经概述了许多用于提供更自然的观看体验的巧妙解决方案，并且已经引入了许多朝向改善图像质量的进步，但是许多这些解决方案的形状因素仍然使得这些设备难以赢得广泛的接受，尤其是对于长期使用或者在工作或娱乐活动期间。它们庞大的尺寸和外观仍然被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，包括小型化和改进的成像技术的集成，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被证明是一个持续的挑战。具有自然“感觉”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难以实现。因此，可以理解的是，需要一种用于单眼或双眼2D或双眼立体显示的可穿戴设备，其提供高图像质量，并且重量轻、便宜、易于使用，并且与传统设计相比在人体工程学上较少侵入和麻烦，并且提供增强的显示机会，而不会阻碍或减小主视野。
发明内容
本公开的目的是推进直接虚拟视网膜显示的技术，更一般地称为从可穿戴装置进行虚拟现实观看的虚拟图像呈现。本公开的实施例提供了一种可穿戴的观看装置，其提供了合适的图像质量，对观看者在视场上的可视性几乎没有或没有阻碍。本公开的实施例可以提供一种改进的观看装置，其减少了传统头戴式显示器的光学、生理和人机工程学限制。本公开的实施例可以提供一种具有增大视野的可穿戴观看装置，该装置具有扫描、光束宽度调节、多焦点光场的通用布置，以及超近眼成像布置中的相关光学组件，包括光学组件侵入眼睛的物体焦距内的实施例。
这些目的仅通过说明性示例给出，并且这些目的可以是本公开的一个或多个实施例的示例。术语“示例性”在这里用来表示“用作例子、实例或说明”这里描述为“示例性”的任何方面不一定解释为优于或优于其他方面。
本公开固有地实现的其他期望目标和优点对于本领域技术人员来说可能会出现或变得明显。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看的光学装置，包括由观看者穿戴的光学装置，并且包括：
激光光源，其可激活以将调制光束导向扫描镜；
朝向扫描镜的调制光束路径中的物镜，
其中物镜和扫描镜为扫描的调制光束限定了弯曲的聚焦表面，其中弯曲的聚焦表面在扫描镜处具有聚焦表面曲率中心；
无光功率的数值孔径(NA)扩展器，具有在位置和曲率上符合所定义的弯曲聚焦表面的扩展表面，并增加扫描的调制光束的NA；和
瞳孔中继光学器件，设置为将扫描镜处的入射瞳孔中继到观看者的眼睛透镜处的出射瞳孔，瞳孔中继光学器件限定入射瞳孔和出射瞳孔之间的光路，该光路包括：
(i)曲面镜表面，其设置成透射从调制光束入射的光的基本一半，并且在入射瞳孔处具有第一曲率中心；和
(ii)第一偏振器，其设置在光路中以接收来自扫描镜的光，并且形成为将第一偏振的入射光反射向曲面镜表面，并且透射与第一偏振正交的第二偏振的入射光，其中由瞳孔中继光学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且引导向出射瞳孔。
附图说明
如附图所示，从以下对本公开实施例的更具体描述中，本公开的前述和其他目的、特征和优点将变得明显。附图的元件不一定相对于彼此成比例。
图1A是示出观看者水平视野的示意性俯视图；
图1B是示意性侧视图，示出了向前看的站立观看者的垂直视野，具有正常和周边视野；
图1C是示意性侧视图，示出了向前看的坐着的观看者的垂直视野，具有正常和周边视野；
图1D是示出眼睛的部分以及眼睛的物体和图像焦距的截面图；
图1E是示出根据本公开实施例的图像源的组件的示意图；
图1F是示出成像装置的目镜的传统“扁平(pancake)”设计的示意图；
图2A是示出根据本公开实施例的用于近眼观察的成像装置中的瞳孔中继的部件的透视图；
图2B是侧视图，示出了根据本公开的瞳孔中继实施例的用于近眼观看的成像装置的组件；
图2C是用于近眼观察的瞳孔中继的替代实施例的侧视图；
图3A和3B是示出根据本公开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列出了输入光学器件的表面和透镜特性；
图4A示出了使用具有“扁平”光学配置的瞳孔中继的用于近眼观察的成像装置的配置的侧视图；
图4B列出了图4A的折射结构的表面和透镜特性；
图4C示出了使用瞳孔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的结构的透视图；
图5是图4A的结构的透视图；
图6和7分别示出了观看者面部上的成像装置的侧视图和正视图；
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示出了梯形失真，如果不校正，对于图4A的实施例，该梯形失真可能由于扫描而发生；
图8D示出了对该失真的校正；
图9A是示出利用同心数值孔径(NA)扩展器的瞳孔中继装置的示意图；
图9B是示出NA扩展器如何改变扫描成像光束的角度特性的示意图；
图10A和10B示出了根据实施例的瞳孔中继装置的曲率、厚度和材料数据；
图11是示出扫描系统的改进的输入光束整形器的示意图；
图12是示出具有改进的扫描系统的瞳孔成像装置的示意图；
图13是示出具有与扫描镜同心的NA扩展器的图像发生器的透视图；
图14是示出了具有设置在光路中的圆柱形弯曲圆偏振器的实施例的透视图；
图15是侧视图，示出了为NA扩展器提供机械运动的可选致动器；
图16以简化的形式示出了使用光场成像来改变由扁平成像光学器件形成的虚像的表观位置的进展；
图17是示出成像装置的功能组件的侧视图，该成像装置使用具有多个焦距的虚拟视网膜显示器来提供光场成像。
具体实施方式
这里提供的附图是为了说明根据本公开的沿着它们各自的光路的操作原理和部件关系，并且不是为了显示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，有些夸张可能是必要的。为了简化描述，在附图中没有示出实现所描述的实施例所需的一些传统部件，例如用于供电、封装和安装的支撑部件。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，并且关于部件和布置或者已经描述的部件的相互作用的类似描述可以省略。
在使用它们的地方，术语“第一”、“第二”等不一定表示任何顺序或优先关系，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”是指至少两个。
在本公开的上下文中，术语“可激活的”描述了在接收到电力时并且可选地也在接收到使能信号时能够执行功能的组件或设备。
在本公开的上下文中，描述性地使用诸如“顶部”和“底部”、“向上”和“向下”的位置术语以及类似的表达，以区分组件或结构的不同表面或视图，并且不描述组件在光学装置中的任何必要取向。这里使用的术语“上游”和“下游”具有它们的传统用法，指的是当光沿着光路行进时光或光调节或重定向组件的相对位置。
在本公开的上下文中，术语“联接”旨在表示两个或多个组件之间的机械关联、连接、联系或链接，使得一个组件的布置影响与其联接的组件的空间布置。对于机械联接，两个组件不需要直接接触，而是可以通过一个或多个中间组件链接。
在本公开的上下文中，术语“左眼图像”描述在观看者的左眼中形成的虚像，“右眼图像”描述在观看者的右眼中形成的相应虚像。短语“左眼”和“右眼”可以用作形容词来区分用于形成立体图像对的每个图像的成像组件，因为立体成像领域的技术人员广泛理解该概念。
一种瞳孔中继系统限定了光轴和光路，该光路将在第一位置的第一瞳孔处入射的光束传输到第二瞳孔位置。也就是说，从第一位置的孔出来的扫描光束都被引导以1∶1的尺寸比或可能的放大率在第二位置重叠。在本公开的实施例中，不需要瞳孔放大率；这里描述的瞳孔中继光学器件可以是1∶1中继。然而，可以提供额外的放大倍数。光束在各自的第一和第二瞳孔位置不相同；在中继系统的入射瞳孔处，光束是发散的，在出射瞳孔处，光束是准直的。在瞳孔中继系统中，入射和出射瞳孔由光学组件清楚地定义。
众所周知，光学系统具有两组主共轭表面。第一组共轭表面包括光学系统的物体表面和图像表面；第二组共轭表面包括入射瞳孔和出射瞳孔。默认情况下，当讨论成像时，可以理解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“瞳孔中继”用于强调光学系统的主要功能是将入射瞳孔成像到出射瞳孔。使用瞳孔中继光学系统可以实现成像；然而，如光学设计领域的技术人员所熟悉的，操作原理是基于第一瞳孔到第二瞳孔的中继。
光学系统的像差校正要求各不相同，具体取决于系统是物体到图像成像仪还是瞳孔中继。因为成像系统通常与非相干光一起使用，所以物点之间的相位差很少或没有意义。然而，在瞳孔中继中，入射瞳孔相位是一个考虑因素。典型地，瞳孔中继接收以某个视场角在入射瞳孔处为中心的准直光束，并且提供输出光束，该输出光束通常是准直的并且以出射瞳孔为中心，并且输入光束的相位没有降级。
如光学设计领域的技术人员所熟知的，可能需要校正对应于两组共轭物的两组像差。在光学领域的技术人员中，与入射瞳孔和出射瞳孔的共轭相关的一组像差被称为“瞳孔像差”。例如，一个众所周知的成像系统是在授予Offner的标题为“Unit Power ImagingCatoptric Anastigmat”的美国专利3,748,015中公开的“奥夫纳系统(Offner system)”。奥夫纳系统设计成在图像平面的圆弧上进行校正。然而，它没有作为中继进行校正，并且入射的准直光束，即使在轴上，也将强烈降级。Kessler的标题为“Concentric Afocal BeamRelay”的美国专利8,274,720讨论了将奥夫纳成像仪转换为无焦瞳孔中继所需的步骤和重大改进。
值得注意的是，大多数瞳孔中继都是无焦的。也就是说，对于瞳孔中继，输入光束和输出光束都是准直的。该系统通常没有光焦度，但通常由两组都具有光焦度的光学器件组成，其中每组光学器件都是聚焦的。这两个组的组合导致无焦中继，就像无焦开普勒(Keplerian)望远镜由两个具有中间焦平面的正组组成一样，其中两组通过它们的两个焦距显著分开。
本公开实施例的瞳孔中继是焦点。聚焦瞳孔中继限定了接收聚焦输入光束并输出准直光束的光路。一般来说，聚焦瞳孔中继包括多个透镜元件和相关的光学部件，它们可以形成少量的组，成组的元件粘合在一起或紧密地聚集在一起。与使用分离组(例如镜)的无焦中继相比，这一特性使有焦瞳孔中继紧凑。Oka在公开号为2011/0242635的美国专利申请中给出了无焦中继的例子。应当注意的是，光路跟踪光轴，但不必在每个点与光轴共线。光轴可以是连接两个瞳孔的单个未偏离的线，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，如随后的实施例中所述。
与通常的成像光学系统相比，瞳孔中继的一个特征是入射和出射瞳孔由光学系统几何形状清楚地限定。本公开的聚焦瞳孔中继光学器件执行对成像任务特别重要的两个功能：(i)使扫描镜所处的入射瞳孔与观看者眼睛的虹膜或晶状体位置处的出射瞳孔共轭；以及(ii)校准弯曲的输入聚焦表面。
与聚焦瞳孔中继相比，无焦中继仅提供第一个功能(i)，入射瞳孔和出射瞳孔的共轭。无焦中继不提供准直，因为输入光束已经被准直，并且中继系统没有光功率。
在本公开中使用的术语“倾斜”描述了不平行或不垂直的角度关系，也就是说，不是90度的整数倍。实际上，如果两个光学表面偏离平行或法线至少约+/-2度或更大，则认为它们相对于彼此是倾斜的。类似地，如果直线和平面偏离平行或法线至少约+/-2度或更大，则认为它们彼此倾斜。基本平行的平面在+/-2度范围内平行。同样，基本平行的光束在大约+/-2度内平行。
在本公开的上下文中，术语“大约”在用于参考测量时，是指在实践中接受的测量误差和不准确性的预期公差范围内。必须允许一些合理的公差，例如，在确定特定观看者的视野范围时的测量差异，因为它会随着不同从业者的测量而变化。
微机电系统(MEMS)器件包括许多机械部件，这些机械部件提供使用类似于用于形成半导体器件的微制造技术制造的小型化机械和机电元件系统(即器件和结构)。MEMS器件可以从没有运动元件的相对简单的结构，到集成微电子控制下具有多个运动元件的极其复杂的机电系统。在MEMS器件中，至少一些元件具有机械功能，无论这些元件本身是否可移动。MEMS器件也可以称为“微加工器件(micro-machined devices)”或使用微系统技术形成和操作的器件。单个MEMS器件的物理尺寸范围可以从远低于一微米到几毫米。在本公开的上下文中，MEMS器件提供可机械移动的元件(例如反射器)，其可被激活以在时间和空间上调制光，以便使用光栅扫描图案提供虚像。
与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。虚像由光学系统形成，该光学系统还确定观察参数，例如远点、视角宽度和其他特征。虚拟图像显示对于增强现实和虚拟现实观看具有许多固有的优势。例如，虚拟图像的大小不受显示表面的大小或位置的限制。此外，虚拟图像的源对象可能很小；作为一个简单的例子，放大镜提供了其对象的虚像。众所周知，与投影真实图像的系统相比，通过形成布置成在一定距离外出现的虚拟图像，可以提供更真实的观看体验。仅使用调制光来提供虚像也消除了补偿屏幕或其他显示虚像的任何需要，这在形成实像时可能是必要的。
在常规使用中，术语“视场”(FOV)广泛地涉及在日光观看条件下具有相对正常视力的观看者可获得的总视场。视场通常在垂直和水平方向上测量。图1A示出了根据本公开如何定义水平视场的角度部分。水平单目视觉极限通常认为稍微超过120度，以中心水平视线S1为中心，以线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大约+/-30度的区域中，如线56和58之间的边界。
图1B中示意性地示出了垂直视场，这里称之为这种测量。限定了水平视线S1，对于站立的观看者来说，该视线通常以大约0度延伸到水平，与真实水平的变化不超过大约+/-2度。水平视线限定为眼睛的主要位置，视网膜平面与横向视觉头平面(TVHP)共面。这个TVHP是眼睛、动眼神经核和距状裂皮质的旋转中心。它定义为与眦耳线(canthomeatal line)具有恒定的关系，并且垂直于利斯廷氏平面(Listing's plane)。
人类解剖学研究领域的技术人员知道，对于正常体型的警觉人类，眼睛的主要位置是解剖学定义的自然恒定位置，并且不依赖于诸如重力、注视、融合反射或头部位置等因素。
对于人类受试者，主水平视网膜平面与TVHP共面。这就定义了眼睛的主要位置，进而定义了视觉的主要水平面，这在医学文献中有很好的描述(Jampel和Shi，“The PrimaryPosition of the Eyes,The Resetting Saccade and the Transverse Visual HeadPlane”，《Investigative Ophthalmology and Visual Science》，第33卷，第8期，1992年7月，第2501页)。它在《The Dictionary of Optometry and Visual Science》,8thEdition,Michel Milodot,Elsevier 2019中有定义。
对于具有正常视力的成年观看者来说，全垂直FOV通常从水平上方约60度(表示为+60度)延伸到水平下方约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通常认为是定义在水平视线S1上方+25度到下方-30度的角度范围内。
视野的不同部分可以相互区分。由于视网膜视锥密度最大，视网膜中央凹视觉具有最高的视觉敏锐度，包括人类视野的中心部分。这个区域使用了我们大约50％的光路。由于视网膜视锥高度集中，提供高质量敏锐度和色觉的副中心凹视觉因此通常认为是在视线不超过大约+/-5度的角度α内。大约10度的副中央凹视野在视线周围通常是圆形的，在22英寸的距离处具有大约4英寸的直径。作为成年观看者观察者的近似值，这个区域会将略微小于在手臂长度处保持的标准的光盘(CD)或数字视频光盘(DVD)的表面。在这个区域之外，视野认为是周边的，并且提供的视觉信息越来越少。由于人眼的视网膜视杆分布，大部分周边视觉信息位于副中心凹视野之外的前20度内。
对于这里描述的实施例，正常可用的垂直FOV F1大于副中央凹FOV，并且限定为在视线的大约+25度到-30度的范围内。FOVF1通常认为是在颜色辨别的范围内，随着视角越来越远离该区域，颜色辨别会大大降低。图1B和1C示出了正常垂直FOVF1的下部，在向前水平视线S1的下方，在水平视线S1的角度θ范围内。位于观看者的+60至-75度垂直视觉界限内但在正常垂直FOV F1之上或之下的区域认为是“垂直周边视野”，或者简单地说，周边垂直视野分别具有上部F2A和下部F2B。
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下方的相应下部F2B。上部F2A位于距视线S1大约60度(如线12所示)和FOV F1的上部界限(在视线S1上方大约25-30度)之间。周边垂直场的下部F2B位于向下延伸到大约-30度的FOV F1下方；F2B部分由距视线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大约-30度和-75度之间。
视线S1一般跟踪头部位置。例如，对于坐着的观看者来说，参考视线S1倾向于从水平向下移动到大约15度。如图1C中示意性示出的，定义副中央凹和周边视野的所有其他垂直坐标和角度相应地移动。在本公开的上下文中，垂直视场的参考视线S1认为对应于站立观看者的水平，对于坐着的观看者，相对于水平倾斜大约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，人眼睛E的光学系统认为是主要具有透镜24和角膜28的光学部件，其焦距由透镜24、角膜28和周围介质的几何形状决定。对于具有正常未矫正视力的成年人，眼睛E的前焦距Fo约为16.7mm。正常、未矫正的成人眼睛E的后焦距Fi约为22.3mm。前焦距Fo在空气中；后焦距Fi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，该虹膜作为成像系统形成眼睛的瞳孔，并将孔径限制在小于约7mm。在强光条件下，由虹膜控制的瞳孔直径平均只有2.5mm左右。“正常”的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的，聚焦到眼睛后面的视网膜26上的一点，在该点开始处理视觉信息。然而，当物体靠近眼睛E时，肌肉改变晶状体24的形状，使得光线在视网膜26上形成倒置的实像。透镜前方16.7mm处的理论焦点区域是物像区，通常在正常生理焦点的下限。
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的组件。控制逻辑处理器20例如通过无线传输(例如蓝牙)从存储器或者从一些其他图像源获得图像数据，并且提供用于在观看者的每只眼睛中形成图像的必要的定时和控制信号。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。根据一个实施例，光模块30提供分别来自红色、绿色和蓝色激光二极管32r、32g和32b的调制光，这些调制光沿着光路并通过可选的物镜L10联接到光导，例如光纤40。调制光束的特征是不同颜色、持续时间和强度的激光脉冲。这种光必须经过光栅扫描才能形成可识别的图像。光纤40例如通过可选的准直透镜L12将光源光导向MEMS扫描仪装置50。除了光束尺寸之外，可选的准直透镜L12可以改变焦点。可选的扩束器也可以使用。当通电时，MEMS扫描仪装置50通过将来自光纤40的光反射通过输入透镜240进行扫描，这将在随后以光栅扫描模式进行更详细的描述。电力由诸如电池的电源22提供。
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(为了清楚起见，在图1E中仅示出了用于单只眼睛E的系统。)相同的光模块30可以用于为双眼生成图像，例如同步生成左眼和右眼调制光；或者，每只眼睛E可以具有单独的光模块30，该光模块30具有由控制逻辑处理器20提供的适当的图像处理逻辑和用于形成每只左眼和右眼图像的光路的适当的光处理组件。
光模块30可以是商业上可获得的模块组件，用于根据输入图像数据产生调制光束，例如来自Microvision,Inc.,Redmond,WA的微微投影仪设备(pico-projectordevice)。仅作为示例，该设备使用来自三原色激光二极管的光，在638mm(红色)、517mm(绿色)和450mm(蓝色)下，来形成图像。原色可以使用其他波长。激光器可以是低功率的1类设备，其光可以直接射向观看者的眼睛，而无须担心认为是有害的能量水平。来自每个基色激光器的光可以单独提供，从而红、绿和蓝光束以快速顺序提供。交替地，不同主波长的光束组合以形成彩色图像。例如，用于光束组合的技术包括使用多层二向色组合器。光束的光斑尺寸可以彼此不同，例如为了提高效率。光束可以准直，以提供最小的最佳尺寸，或者放大，以过度填充小的或大的MEMS扫描镜，如随后更详细描述的。为了改善光束均匀性，光束可以从通常的高斯(Gaussian)轮廓转换为平顶(flat-top)轮廓。
示例性光纤40可以是单模光纤。如随后所述，这种类型的光导可以容易地装配到用于将扫描仪装置50装配到观看者面部的带中。光纤可以具有成角度的或其他形状的终端，例如有助于防止背反射。单根光纤可以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，拼接在一起以在扫描仪装置50的光输出处形成单根光纤。
在特定的可佩戴成像装置中使用的扫描仪装置50的光学组件可以变化，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、可以提供或不提供光功率的折叠光学器件以及用于将图像内容扫描到眼睛E中的其他组件。参考本公开的后续实施例描述可以是扫描仪设备50的一部分的替代部件。
图1F的示意图示出了用于为观看者形成图像的目镜的传统“扁平”光学系统90的分解图。反折射扁平光学系统使用偏振将调制光束的光路折回自身，并使用具有曲面镜M1的反射聚焦光学器件。曲面镜M1限定了光轴OA。传统的图像源60是提供二维(2-D)图像场的阴极射线管或其他平面发射表面。在这种光学装置的任何实施方式中，图像源60定位成在曲面镜M1的前焦点表面形成图像。从每个场点向眼睛E提供准直光束。对于传统的扁平光学设计，放大倍数非常大，可以认为实际上是无穷大。
图1F所示的扁平系统90工作如下：来自阴极射线管或其它图像源60的调制光束的非偏振光被偏振器PO1线性偏振，并由四分之一波片QWP1转换成左旋圆偏振光。光线穿过半透明曲面镜M1；一半的光被反射和损失。镜M1认为是“部分透射的”或“半透射的”或“半透明的”，因此它透射至少约35％的来自QWP1的入射光，优选透射50％的入射光并反射50％的峰值效率。对于本公开的实施例，如果曲面镜不透射超过65％的入射光，则曲面镜可以认为是“部分透射的”或“半透明的”。
透射的圆偏振光通过另一个QWP2成为垂直线性偏振光，并导向反射偏振器，偏振分束器PBS1，其将大部分光反射回曲面镜M1。来自PBS1的反射光再次通过QWP2，变成右旋圆偏振。曲面镜M1再次反射大约一半的光，而失去另一半的透射。来自镜M1的反射偏振光现在是左旋圆偏振光，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，并穿过可选的清洁偏振器POL3进入观看者的眼睛E。光通过四分之一波片(QWP)的每次传输都会将相位延迟90度相移，从而改变偏振状态。
尽管看似复杂的偏振和光导向机制，扁平光学器件运行良好，但是损失了超过75％的最初从光源60产生的光。这种低效率和光的大量损失使得扁平光学结构不能用于许多具有传统调制光源的应用。然而，申请人已经认识到，考虑到使用具有MEMs调制的激光器的高水平光衰减，这种光学配置可能是有用的，在这种情况下，希望限制提供给观看者眼箱的光能。
有利的是，这种配置使用轴上的镜，而不需要提供用于将输入光束分成镜和输出光束的其他装置。光路折叠是可选的，而不是必须的。
同于早期将扁平光学系统用作平板图像源的物镜类型的光学系统，本公开的实施例使用扁平光学方法来形成瞳孔中继。下面描述的实施例应用多种方法来将扁平设计呈现为更适合于近眼成像的平台，不同于早期扁平光学系统的扁平成像光学器件，扁平光学系统设计为使用扫描的准直光，因此克服了与低光效率和高部件数量相关的问题。如随后详细描述的，数值孔径的扩展允许比使用具有MEMS器件的准直激光的其他成像装置更宽的入射和出射瞳孔，从而允许由平坦像场提供的优点。
与倾斜镜系统相比，随后的实施例进一步使得扁平光学设计能够在更大的视场(FOV)上具有更高分辨率的优点。本公开的扁平光学设计更小，并且尽管在位置上是超近眼的，但是与使用分光器的单镜系统相比，提供了改善的眼睛起伏，并且提供了图1F所示的传统平板成像设计所没有的许多优点。
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实施例的使用1∶1瞳孔中继装置250布置的用于近眼观看的成像装置200的组件。该实施例采用光学“扁平”配置作为光学中继系统，使用反射部件用于光束成形和聚焦，其限定光轴并将入射瞳孔中继到出射瞳孔。利用图2A和2B所示的布置，成像装置200将图像发生器212处的入射瞳孔P1中继到观看者眼睛E处的出射瞳孔P2。换句话说，成像装置200将聚焦表面214处的弯曲图像(其中聚焦表面214处生成的图像占据相对于光学器件的“对象”位置)传送到视网膜R处的像场。也就是说，除了其作为瞳孔中继光学器件的作用之外，装置200还将由来自图像发生器212的聚焦的扫描调制光束生成的、在聚焦表面214处形成的光图案或“图像”成像到视网膜R。
图像发生器212由入射瞳孔P1处的扫描镜提供，该扫描镜引导聚焦的调制光束以在聚焦表面214处形成弯曲的空间图像作为光学“对象”，用于成像装置200的后续成像。空间图像处的调制光是线性偏振的，并导向偏振器210，偏振器210透射第一偏振的光并反射与第一偏振正交的第二偏振的光。透射的调制光引导通过提供相应相位延迟的四分之一波片216，并到达部分反射(标称50％反射)、部分透射(标称50％透射)的曲面镜220，该曲面镜用作一种分束器，聚焦调制光束。来自镜220的一部分光的反射使光的圆偏振反转，当光以相反方向传播时，光透射通过四分之一波片216。透射通过镜220的光偏振，被圆偏振器230吸收。从镜220反射的光已经改变了圆偏振，并且从偏振器210反射并通过四分之一波片216返回。该光的一部分穿过曲面镜220，并透射通过可选的圆偏振器230进行清洁。这种清洁有助于去除可能导致图像重影的任何具有正交偏振的泄漏光。来自成像装置200的准直光被引导通过观看者的眼睛E，到达出射瞳孔P2，并最终到达观看者的视网膜R，形成如图所示的图像。
图2B的扁平光学系统是具有类似于图2A布置的元件210、216、220和230的瞳孔中继装置250。在该第一实施例中，在部件之间存在空气空间，因此术语“空气扁平(airpancake)”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形成为朝向曲面镜220表面透射以相对于光轴OA发散的第一角度入射的第一偏振的入射光。偏振器210然后反射来自镜220的第二偏振的入射光，该第二偏振与透射入射光的第一偏振正交，并且相对于偏振器表面的法线成第二角度。偏振器210和曲面镜220沿着光路设置以协同工作，将调制光束引导到偏振器210两次。偏振器210因此处于往返于曲面镜220的光路中，并且将光路折回曲面镜220。第二次离开偏振器的光被准直并导向瞳孔P2，并相对于光轴OA会聚。
不同于其中扁平配置形成目镜以准直平板光源的传统布置，本公开的实施例使用扁平光学器件将图2B中的扫描镜212中继到观看者的虹膜232。扁平光学系统形成瞳孔中继，其中图2A中的入射瞳孔P1在扫描镜处，而P2是眼睛处的出射瞳孔。这里的扁平瞳孔放大率是有限的，例如，最好是大约-1(减1)。
聚焦表面214和镜220处的弯曲图像相对于由曲面镜220限定的瞳孔P1基本同心，聚焦表面214和镜220处的图像在图像发生器212处共享曲率中心或曲率轴。图像发生器212的扫描镜的旋转轴和曲面镜220的曲率中心位于同一条线上。
在本公开的上下文中，当两个特征共享相同的公共轴并且曲率中心在两个弯曲特征的较大径向距离的20％以内时，这两个特征被认为相对于瞳孔P1或P2“基本同心”，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。或者，可以采用传统的偏振器。
由本公开实施例的瞳孔中继光学器件限定的光路设计基本上没有像差。离轴光束遇到与轴光束完全相同的光学系统，因此没有通常限制光学系统性能的离轴像差，例如彗差、像散和畸变。因此，该显示系统能够提供大的FOV。根据实施例，如图2A和2B所示的系统具有水平方向为43度，垂直方向为25度的FOV。需要强调的是，这只是一个示例。使用具有不同规格和性能的振荡MEMS镜和透镜可以创建更大或更小的FOV。
注意，在图2A和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晶状体。当使用更真实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用于一对一瞳孔中继，其中镜220的曲率沿着光轴OA反转，如图2C所示。在瞳孔中继装置260中，在聚焦表面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曲面镜220拒绝，并且一半被透射。透射部分通过QWP216变成线偏振，因此从反射偏振器210反射回曲面镜220。该光被准直并通过偏振器210以正交偏振引导回瞳孔P2，该正交偏振通过偏振器210向虹膜232透射。可选的清洁偏振器236可用于消除可能通过反射偏振器泄漏的错误偏振的光。可选的清洁偏振器236可用于消除可能通过反射偏振器泄漏的错误偏振的光。如同图2A的实施例，首先入射到偏振器210上的光相对于光轴OA是发散的。第二次入射到偏振器210上的光被准直并沿着光轴OA引导。
根据使用图2A-2C布置的替代实施例，曲面镜220不是50-50°半透明镜，而是充当曲面反射偏振器，透射第一偏振态的光并反射正交偏振态的光。平面反射偏振器210由半透明镜代替。成像领域的技术人员可以理解，使用曲面镜220作为反射偏振器并使用平坦的半透明镜也是可能的。
输入光学器件
图3A的侧面示意图和图3B的展开图示出了输入光学器件240，在本公开的各种实施例中，输入光学器件240预聚焦被引导通过偏振器210和瞳孔中继的其他部件的光。物镜244位于被导向扫描镜242的所产生的调制光束的路径中。透镜244通过扩展输入光束并将其聚焦到扫描镜242和瞳孔中继之间的位置来调节调制光，根据扫描图案限定并形成聚焦表面214(图2A，2B)。物镜244可以由两个元件组成，呈胶合双合或间隔开的形式，如下所示。假设使用三束或更多不同波长的激光束，可以使用现成的双合光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，在图3A和3B实施例中没有轴向或横向色差。随后描述的增强实施例在双合透镜之前增加了低放大率柱面透镜，该透镜补偿了由于使用相对于光轴OA具有倾斜角的倾斜偏振分束器而引起的散光。
关于图2A、2B、2C和以下所示的实施例，输入光学器件240聚焦光以在聚焦表面214形成弯曲的空间图像。扫描镜242可用于折叠光路，并由定向光束形成二维图像。
仅作为示例，图3C列出了根据本公开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4H和图5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中的瞳孔中继装置450的全玻璃扁平配置的不同视图。与图2A和2B的先前实施例一样，装置450是以大约-1的放大率工作的有限共轭瞳孔中继。透镜L1的聚焦表面414和弯曲输入面92基本上与瞳孔P1同心。透镜L1的输出表面420和透镜L3的输出表面94基本上与瞳孔P2同心。在由瞳孔中继装置450限定的光路中，偏振器430接收相对于光轴OA成发散角的第一偏振的光，并将该光反射回形成在透镜L2上的部分反射曲面420，该曲面聚焦该光。两次通过QWP424将光束的偏振态改变为第二偏振态，该第二偏振态在偏振器430处与第一偏振态正交。偏振器430透射现在被准直并朝向瞳孔P2的返回光。
瞳孔中继装置450的一些或所有部分可以位于眼睛的物体焦距16.7mm内。该能力适用于随后描述的其他瞳孔中继装置实施例。这种超近眼位置为减小设备的尺寸和“占地面积”提供了重要的优势，同时保持了大的FOV并避免了对可用视野的阻碍。
图4B列出了根据本公开实施例的成像装置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。扫描方向垂直于页面平面。
图4E示出了成像装置400的水平视图。扫描是在水平方向，在平行于页面的平面。
如图4F所示，光路可以折叠，以减少总长度和设备占地面积。折叠镜454、456以示例的方式示出。
图4G示出了图4A的瞳孔中继装置450的扁平布置的分解图，示出了沿着由该光学系统限定的光路的偏振状态。在入射瞳孔P1处的扫描镜412引导光以在聚焦表面414处形成弯曲的空中物体。光是圆偏振的，或者在输入光束处是圆偏振的，或者作为线偏振光进入，并且在扫描镜412(未示出)之后由可选的四分之一波片(QWP)呈现圆偏振。该光通过第一透镜L1折射，并通过部分反射表面420到达第二透镜L2。然后，光穿过四分之一波片QWP424，变成线偏振(在图4G中显示为垂直偏振)。该光遇到反射偏振器430，并反射回表面420，再次穿过QWP424。然后，大约一半的光被半透明表面420反射。透镜L2的曲面420的反射将来自其聚焦位置的光束准直为在聚焦表面414形成的空间光图案。准直光然后第三次穿过QWP424，并变成线偏振的(在图4G中显示为水平偏振光)。该光穿过偏振器430和第三透镜L3。该输出光从表面420被导向出射瞳孔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和瞳孔P2的虹膜之间。透镜L1的聚焦表面414和输入面96基本上与入射瞳孔P1同心。输出表面98和100以及镜面420基本上与瞳孔P2同心。虹膜440位于瞳孔P2。聚焦表面414位于镜420的前聚焦表面，通过偏振器430反射。
图4H和5示出了瞳孔中继装置450的透视图。
图6和7分别示出了成像装置400在观看者脸上的侧视图和正视图。可以提供诸如眼镜框、带或其他结构(未示出)的传统安装件，用于将成像装置400定位在非常靠近观看者眼睛的位置，使得成像装置的光学部件位于眼睛晶状体的物体焦距内，距离角膜在8-16mm之内。包含扫描镜和光学装置的外壳主要位于佩戴者的可用垂直视野之外，基本上在周边视野之内，正如前面详细描述的这些视野。外壳可以贴着观看者的脸，沿着脸颊，沿着眼眶下缘稳定，并由上颌骨、鼻骨和颧骨支撑。
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。可以是偏振分束器的分束器110有助于校正梯形失真。当输入光束以一定角度接近扫描镜242时，如图4C所示，会引起梯形失真，如图8C中图像场的轮廓所示图当入射角与轴成25度时，8C显示未修正的梯形失真，视野为43×25度。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畸变校正元件(未示出)来校正该畸变。分束器110限定以零角度入射到扫描镜242中的光路，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具有两个由气隙隔开的透镜元件。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的损耗。第二四分之一波片248将来自分束器110的光变回圆偏振光。镜220可以是半透射镜，如图4A上的镜面420，后面是另一个四分之一波片252。来自镜220的轴反射光从分束器110反射并丢弃。元件L1、镜220、四分之一波片252和偏振器230可以是单个胶结单元。胶结单元和透镜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。在由瞳孔中继装置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，变得圆偏振。扫描镜242通过QWP246反射调制光束，将调制光束的偏振改变为P偏振状态。然后，P偏振光通过分束器110和QWP248传输，QWP248将偏振状态改变为圆偏振。该光通过透镜L1传输。一部分光从半透射镜220沿光轴OA反射回来。该反射光再次穿过QWP248并变为S偏振，从而使其从分束器110反射并丢弃。同时，通过半透射镜220发射的调制光束的部分通过另一QWP252，该QWP252将其偏振改变为S偏振状态。该发散光被偏振器230反射，然后从现在被准直并朝向瞳孔P2的镜220反射。在第二次穿过QWP252时，经准直、调制的光改变为P偏振，并通过偏振器230发射到输出透镜L2。
本发明的装置提供了一种光学装置，其适合于虚拟现实(VR)或增强现实(AR)观看，以及混合现实(MR)和智能眼镜“参考显示器”观看。AR和MR查看可以通过使用“直通”技术来实现，该技术将来自真实世界的视频内容(可选地由眼镜产品中包含的视频捕获装置获取)叠加到计算机生成的数据上，例如图像、图标和文本。因此，可以提供真实世界场景内容的两种不同备选视图。
由于其光学对称性，成像装置基本上无像差。该装置不同于基于目镜使用的AR或VR光学配置，例如使用反射光学，以及用于准直和放大平板图像源的折射光学系统，该平板图像源如LCOS(硅上液晶)显示器或使用微镜设备阵列或LED阵列或其他发射器形成图像的设备。
本发明的一个实施例提供了沿水平轴至少约40度的FOV，光束在扫描光实施例上被放大。眼睛跟踪可用于检测和补偿观看者的眼球运动，以及用于打开和关闭电源的指示器或传感器，例如，如果视图中没有看到设备。
根据本公开的实施例，提供了一种用于近眼观察或超近眼观察的光学装置，包括：激光光源，其可激活以将光束引导至扫描镜；与扫描镜光学同心并且部分透射的曲面镜表面；第一偏振器，设置在扫描镜和曲面镜表面之间，第一偏振器具有第一偏振轴；设置在偏振器和曲面镜表面之间的四分之一波片；以及设置在曲面镜下游的第二偏振器，其具有与第一偏振轴正交的第二偏振轴。
术语“示例性的”在这里用来表示“用作例子、实例或说明”这里描述为“示例性”的任何方面不一定解释为优于或优于其他方面。
Kessler和Davis共同转让的申请号为2018/0149862的美国专利申请“WearableDisplay for Near-to-Eye Viewing”中进一步详细描述了由“扁平”光学设计提供的混合折反射方法，该方法为减小设备尺寸、改善人体工程学、允许不妨碍可用视场的定位以及改善图像质量以及消除或最小化损害可佩戴光学器件的竞争设计的失真和光学像差提供了许多优点。然而，对于基于扁平设计的光学装置来说，存在一些固有的缺点，这使得难以提高佩戴者的整体可用性。扁平模型固有的这些缺点如下：
(i)小眼箱或出射瞳孔尺寸。系统光学系统限定了一个小的眼箱区域，在该区域上，观看者的眼睛可以感知整个图像场。在入射瞳孔处使用小扫描镜，其中该镜足够小，能够以足够的速度每秒多次刷新显示器，从而限制了其在眼箱处共轭出射瞳孔的大小。更大的眼箱是有益的，允许更多的自由度来定位观看者的眼睛，并补偿正常的眼球扫视运动。眼箱的高度和宽度尺寸主要是出射瞳孔的一个因素；出射瞳孔越大，相应的眼箱高度和宽度越大。
(ii)光学系统的尺寸。性能的提高是以增加规模和复杂性为代价的。我们的目标是保持光学系统的小型化和轻型化，以便在最小支撑的情况下靠着面部进行定位。
(iii)偏振光施加的要求。输入到系统光学器件的光必须是圆偏振的。理想情况下，光源本身提供圆偏振光。可选地，可以向光路中添加额外的偏振器和四分之一波片，但其潜在缺点是尺寸、重量、成本和复杂性增加。
(iv)调节限制。对于使用传统扁平模型的现有设计，可使用固定的调节距离。提供一种改进的聚焦深度测量方法将是有利的，该方法允许可变的聚散和调节，从而允许全光或光场显示的可变聚焦。
本发明的一个实施例旨在提供一种光学装置，其根据上述考虑改进成像系统的光学性能和可用性。此外，光学装置可设计为使用所述折反射系统提供非阻塞性近眼成像。
增强眼箱尺寸
如前所述，图2A中概述的光学系统定义了两组不同的共轭物：
(i)瞳孔接合。光学器件提供瞳孔中继，该瞳孔中继将图像发生器212的扫描镜处的入射瞳孔P1中继到虹膜处的出射瞳孔P2；和
(ii)图像共轭。光学器件提供图像中继，将聚焦表面214中继到视网膜R。
如前所述，眼箱尺寸是出射瞳孔大小的函数。关于前面描述的图2A实施例及其变型，增加出射瞳孔大小的简单方法是简单地增加其光学共轭物(图像发生器212处的扫描镜)的直径。然而，这种解决方案是不可取的，因为增加扫描镜的尺寸和质量使得维持适当图像刷新所需的振荡速度更加困难。增加镜直径也是不利的，因为它可以允许在移动过程中增加变形，从而引入光束像差。此外，此类大型快速摆动双轴镜在市场上还没有。
申请人的解决方案采用了另一种方法来解决出射瞳孔的扩大问题。在与出射瞳孔共轭的入射瞳孔扫描镜的实际尺寸不变的情况下，本发明的一个实施例通过从入射瞳孔扫描的光扩展在弯曲焦平面处形成的源图像的数值孔径(NA)。在图2A的上下文中，这种扩展增加了形成弯曲聚焦表面214的光的NA。从图像形成光学器件940(图9A)的角度来看，本发明的实施例通过改变呈现给图像形成光学器件940的输入光的角度扩展来有效地改变入射瞳孔大小。
参考图9A，示出了瞳孔中继装置950的实施例，其利用同心数值孔径(NA)扩展器960来调节形成光学对象的输入光到包括透镜L1、L2和L3的图像形成光学器件940以及夹在这些透镜内的偏振器410和QWP。
同心NA扩展器960布置在光学装置950内形成的弯曲聚焦表面914处。为了享受光学设计的无像差优点，同心NA扩展器960保持聚焦表面914的球面曲率，并在扫描镜912处提供相对于瞳孔P1光学同心的输出表面。
在标准实践中，当光学系统形成中间图像(例如在NA扩展器960的位置)时，在该图像附近使用具有光功率的场透镜，从而有效地改变由光路径中的后续组件处理的光的角度。然而，根据本发明的一个实施例，NA扩展器960具有零光功率。例如，具有均匀厚度的衬底上的曲面漫射器的弯曲片不具有光功率。因此，将NA扩展器960添加到光学组件不会对整个光学系统施加进一步的要求，也不需要改变透镜曲率或设计的其他光学方面，除了为了适应更大的NA而可能调整扩展器960下游的光学元件的尺寸。通过添加NA扩展器960，光学系统的对称性得以保持。
根据使用图9A的瞳孔中继配置的本公开的实施例，如前所述，NA扩展器960影响关于图像共轭和瞳孔共轭的光角度。关于瞳孔共轭，NA扩展器960看起来有效地增加了扫描镜412在入射瞳孔P1位置的尺寸，形成了扫描镜412的放大虚像912。然而，如图9A所示，由成像光学器件940的组合透镜提供的放大率不需要改变。此外，由于增加了NA扩展器960，光学装置950的总长度没有变化，允许比其他近眼成像解决方案更小的占地面积，这对虚拟现实、增强现实、磁共振成像以及参考显示是有利的。还应当注意，不需要提供形成“中间图像”的附加光学器件来将该NA扩展器960图像中继到成像光学器件940。不需要额外的中继光学器件来形成作为光学“对象”的球形弯曲聚焦表面914，或者将在表面914处形成为光学对象的图像引导到成像光学器件940。也就是说，关于成像几何形状(除了偏振)，除了使光学元件的孔径变大之外，引入NA扩展器960修改了光的角度，但是对光学配置没有影响，例如通过将孔径增加几毫米以适应由此产生的扩展光束宽度。
图9B示出了NA扩展器960如何改变扫描成像光束的角度特性。实线表示扫描光束移动通过聚焦表面914以形成空间图像时的角度。虚线表示使用NA扩展器960改变的角度特性。关于图9A，光学器件940的透镜的输入光的集光率相应增加。
NA扩展器960可以是多种类型的组件中的任何一种，包括衍射或漫射光学元件、具有各种尺寸和图案的组件透镜的一个或多个微透镜阵列、非球面透镜的排列、一个或多个全息光学元件或其他合适的设备。
举例来说，图10A和10B示出了根据实施例的瞳孔中继装置950的曲率、厚度和材料数据。显示了许多光学元件的表面分配。OBJ是弯曲聚焦表面914处的光学物体。孔径光阑STO位于扫描仪表面。表面Surf3是胶结组件1010的第一个透镜表面。由于光路中的反射，镜像表面被列出两次，如表面Surf5-Surf15。表面Surf10是反射式偏振器。表面Surf23位于虹膜处。
由于成像光学器件940的同心设计，消除了横向色差和失真。值得注意的是，扫描镜上游的所有透镜材料，即成像光学器件940的透镜L1、L2、L3，可以由单一光学材料形成，例如由玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯形成。使用相同的聚合物透镜基底具有减轻重量和降低成本的优点。如果可用，也可以使用相同聚合物的反射偏振器。
作为示例而非限制，图10A、10B所示的特定布置可以将标称出射瞳孔尺寸从1mm增加到从2mm到大约8mm的范围，而不改变光学装置的整体形状因数。NOA61是一种光学粘合剂，标称厚度为0.025层。
还应当注意，本公开的实施例可以利用用于扩展眼盒的方法的组合，通过增加的NA扩展器960，既增加了实际扫描镜912的尺寸，又增加了扫描镜的表观尺寸。
图13的透视图显示了图像发生器212，其中NA扩展器960的曲面与扫描镜1214同心。
改进的输入/扫描仪配置
申请人已经确定了对传统扫描仪设计的改进，其通过用反射偏振分束器折叠光路来进一步减小尺寸，该反射偏振分束器必须相对于光束的路径倾斜(图11、12、13)。这个改进的实施例校正了通过倾斜板引导聚焦光束可能导致的少量像差。参考图11、12和13，以简化的示意形式示出了图像发生器212，其具有引导光通过双凹透镜L123的光源1210，以及具有非球面平凸透镜L122和柱面透镜L121的扫描物镜1220。柱面透镜L121具有非常低的光焦度，并且有助于补偿由相对于光轴OA具有倾斜角θ1的倾斜偏振分束板208引起的散光。
提供如图11所示的倾斜于光轴OA的倾斜偏振分束器(PBS)208对于减小系统光学器件的整体尺寸特别有利，简化了封装光学系统用于近眼观察的任务。倾斜角可以相对于在物镜和扫描镜之间延伸的光轴在例如5至30度的范围内。PBS208向扫描镜1214传输来自光源1210的一种偏振态的光；PBS208反射正交偏振态的光，该光通过扫描镜1214被引导回来。一个或多个QWP(图12中未示出；如图14所示)可以设置在往返于扫描镜1214的光路中，用于改变来自扫描仪的光的偏振状态。
光轴OA可以在扫描镜1214处折叠，如图12所示；图11以示意性的展开布置示出了OA。
纵向颜色被图11输入光学器件中的双合线L122和L123消除。
极化选项
所公开装置的成像光学器件需要圆偏振光输入。该输入可以由光源本身提供，或者通过在扫描光的光路中添加偏振器和四分之一波片QWP来提供。
NA扩展器960可以是保偏(polarization-preserving)元件，例如小透镜阵列。光在入射到QWP之前必须是圆偏振的(图9A)。对于进入扩展器960的线偏振光，使用NA扩展器960和透镜L1之间的QWP提供圆偏振。
在NA扩展器960不保持偏振的情况下，可以在NA扩展器960之后添加组合形成圆偏振器的QWP加偏振器。圆偏振器可以是球形弯曲的，也可以是圆柱形弯曲的，即相对于单个轴弯曲。
图14的透视图显示了具有设置在光路中的圆柱形弯曲圆偏振器1410的实施例。
偏振反射透镜可以在从物镜到扫描镜到数值孔径扩展器的路径中折叠调制光束的路径。
根据替代实施例，扫描光首先入射到反射偏振器上，而不是部分反射曲面上。这种布置可以消除扫描镜和随后的光学器件之间对QWP的需要。
抖动选项
对于弯曲聚焦表面914处的任何物体(图9A)，光学系统可以以类似于放大镜的方式工作。这种特征行为的一个缺点是，NA扩展器960表面上的任何结构(例如，材料缺陷或结构图案)都可能被观看者放大。根据NA扩展器960表面的组成，这可能导致感知图像内的颗粒感或其他不期望的效果。
根据一个实施例，使用机械抖动来帮助减少观看者对焦平面处的结构的感知。图15的侧视图示出了向NA扩展器960提供机械运动的致动器1512。致动器1512可以是引起扩展器快速振动的压电致动器。旋转、摆动、振动或其他位移运动可以交替进行，同时保持NA扩展器960的形状和曲率中心。抖动的平移可以在沿着光轴的方向上或相对于光轴的任何角度上提供。使用保持曲率中心的运动的抖动意味着扫描镜处的曲率中心保持不变，即使NA适配器960相对于光轴OA周期性位移。相对于球形曲面上的任何一点，抖动运动都会导致位移，该位移基本上垂直于该点的曲率半径。由于抖动引起的位移因此可以保持NA扩展器表面形状和曲率中心，与定义的聚焦表面914的扫描区域一致。
光场成像
了解决扫描扁平设计相对于调节限制的局限性，本公开的实施例可以提供光场成像。
可能存在在无限远焦点处形成虚像不是最佳的情况，并且能够在有限的光学距离处或者在逐渐变化的光学距离序列处形成虚像将是有用的。为了实现这种效果，可以采用光场成像技术，修改这里描述的光学装置以受控方式改变焦点。
作为说明，图16的示意图以简化的形式示出了使用光场成像来改变由扁平成像光学器件940形成的虚像的表观位置的过程。图16以简化的形式示出了使用光场成像来改变由扁平成像光学器件940形成的虚像的表观位置的进展。如该序列所示，NA适配器960沿着光轴OA的平移改变了虚像的表观位置，该虚像是通过改变到达瞳孔P2处的观看者的光的角度而形成的。
对于不采用NA扩展器960的实施例，例如参考图2A、2B示出和描述的实施例，光场成像可以通过改变物镜244(图3A、8A)的焦点来实现，物镜244使用来自扫描图案的光形成聚焦表面214。这种焦点的改变有效地沿着光轴OA向前或向后移动聚焦表面214的位置。然后，光学系统相应地改变为观看者形成的图像的焦点位置。
使用由扫描激光束提供的窄光束进行光场成像是可行的，没有NA扩展。然而，使用非常小的入射瞳孔而没有NA扩展的光场成像只能改变焦距，因此价值有限；以相对较低的NA观察图像，这意味着相对较大的聚焦深度。当使用扫描激光束本身时，光场方法对于深度感知是不利的，并且在聚散度和调节方面为观看者提供了较差的解决方案。实际上，利用图2A、2B所示的光学装置对光场成像几乎没有或没有可察觉的好处。
随着NA扩展器960的加入，光场成像在提供诸如改善深度表示的优点方面显示出更多的希望。本公开的实施例可以通过改变NA扩展器960沿着光轴的纵向位置以及物镜1220的轴向位置的相应改变来提供光场成像的能力。
图17的侧视图示意图示出了成像装置1600的功能组件，该成像装置1600基于扁平光学系统、成像光学器件940提供光场成像，其中增加了图9A及以下描述的NA扩展器960。一个或多个致动器1622、1624用于通过扫描物镜1220和NA扩展器960沿着折叠光轴OA的同步位移来调整聚焦表面914的位置。处理器20协调一个或多个致动器1622、1624的致动，以便同时移动，从而在出射瞳孔处提供期望的光角度，并由此提供在所形成的虚像中感知的物体的距离。
计算实现图像距离的特定移动所需的焦点移动是简单的。例如，给定具有定义11mm有效焦距f的透镜L1-L3的光学系统，在距离d为0.5m(500mm)处形成图像所需的焦点偏移d’可以使用以下公式计算：
d’d＝f2
然后：
d’＝(112/500)mm＝0.242mm
与光路长度相比，这是一个相对较小的位移，并且在商用致动器的操作极限内，这使得这成为光场显示的实用解决方案。
光场显示允许许多有用的图像形成技术可用，包括深度动画，其中显示内容出现在离观看者的角度或距离的连续进展中，或者与眼睛跟踪和从眼睛运动感测观看者的注意力相协调。光场显示允许系统光学器件适应来自眼睛跟踪测量的反馈，允许光学系统在有限焦点处形成虚像，例如根据观看者的眼睛跟踪来确定焦点位置。
根据本公开的一个实施例，如上所述，扁平光学器件的至少一部分位于眼睛的物体焦距内。具有NA扩展器的光学装置可以配置为贴着观看者的面部，沿着下眼眶边缘以及鼻和颧骨稳定，并且不阻挡主视野。
根据本公开的一个方面，观看者佩戴的光学装置包括：激光光源，其可激活以将调制光束导向扫描镜；以及位于朝向扫描镜的调制光束路径中的物镜。物镜和扫描镜为扫描的调制光束限定了弯曲的聚焦表面，其中弯曲的聚焦表面在扫描镜处具有聚焦表面曲率中心。具有零光焦度的数值孔径(NA)扩展器具有扩展表面，该扩展表面在位置和曲率上符合定义的弯曲聚焦表面，并且增加扫描的调制光束的NA。瞳孔中继光学器件设置成将扫描镜处的入射瞳孔中继到观看者的眼睛透镜处的出射瞳孔，瞳孔中继光学器件限定入射瞳孔和出射瞳孔之间的光路，该光路包括：(i)曲面镜表面，其设置成透射从调制光束入射的光的基本一半，并且在出射瞳孔处具有第一曲率中心；以及(ii)第一偏振器，设置在光路中以接收来自扫描镜的光，并且形成为将第一偏振的入射光反射向曲面镜表面，并且透射与第一偏振正交的第二偏振的入射光，其中由瞳孔中继光学器件限定的光路将调制光束两次引导至第一偏振器，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且被引导向出射瞳孔。NA扩展器可以是小透镜阵列、漫射光学元件或全息光学元件。曲面镜面可以在入射瞳孔处或者在出射瞳孔处具有曲率中心。沿着光路可以有一个或多个四分之一波片。圆偏振器可以设置在NA扩展器和凹透镜表面之间。瞳孔中继光学器件可以进一步将在NA扩展器处形成的图像中继到观看者的视网膜。该光学装置可以具有第二偏振分束器，该第二偏振分束器设置在物镜和扫描镜之间的聚焦光路中，并且相对于在物镜和扫描镜之间延伸的光轴以斜角定向。NA扩展器可以保持圆偏振入射光的偏振状态。致动器可以配置为将振动或运动传递给NA扩展器，并保持NA扩展器表面与扫描镜的同心度。一个或多个致动器可以配置为提供物镜和NA扩展器的同步移动，以提供激光束的多个焦距，用于投影图像中的深度动画。偏振反射透镜可以在从物镜到扫描镜到数值孔径扩展器的路径中折叠调制光束的路径。
本公开特别参考了当前优选的实施例，但是应当理解，在本公开的精神和范围内可以进行变化和修改。例如，尽管以上描述集中于形成一只眼睛的图像，但是可以容易地理解，使用立体成像领域的技术人员熟悉的方法，相应的元件和逻辑用于形成形成和协调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，也就是说，向双眼提供相同的图像内容用于单视场显示。
因此，当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来指示，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 (20)
1.一种由观看者佩戴的光学装置，包括：
激光光源，其可激活以将调制光束导向扫描镜；
朝向扫描镜的调制光束路径中的物镜，
其中物镜和扫描镜为扫描的调制光束限定了弯曲的聚焦表面，其中弯曲的聚焦表面在扫描镜处具有聚焦表面曲率中心；
数值孔径(NA)扩展器，其具有扩展表面，所述扩展表面在位置和曲率上符合限定的弯曲聚焦表面，并且增加扫描的调制光束的NA，其中所述NA扩展器没有光焦度；和
瞳孔中继光学器件，其设置为将扫描镜处的入射瞳孔中继到观看者的眼睛透镜处的出射瞳孔，瞳孔中继光学器件限定入射瞳孔和出射瞳孔之间的光路，所述光路包括：
(i)曲面镜表面，其设置成透射从调制光束入射的光的基本一半，并且在出射瞳孔处具有第一曲率中心；和
(ii)第一偏振器，其设置在光路中以接收来自扫描镜的光，并且形成为将第一偏振的入射光反射向曲面镜表面，并且透射与第一偏振正交的第二偏振的入射光，其中由瞳孔中继光学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且引导向出射瞳孔。
2.根据权利要求1所述的光学装置，还包括第二偏振器，其设置为物镜和扫描镜之间的聚焦光路中的分束器，并且相对于在物镜和扫描镜之间延伸的光轴以大约5度到30度之间的斜角定向。
3.根据权利要求1所述的光学装置，还包括偏振反射透镜，其在从物镜到扫描镜到数值孔径(NA)扩展器的路径中折叠调制光束的路径。
4.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述NA扩展器是小透镜阵列。
5.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述NA扩展器是漫射光学元件。
6.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述NA扩展器是全息光学元件。
7.根据权利要求1所述的光学装置，还包括沿着光路的一个或多个四分之一波片。
8.根据权利要求1所述的光学装置，还包括设置在所述NA扩展器和凹透镜表面之间的圆偏振器。
9.根据权利要求8所述的光学装置，其中所述圆偏振器具有圆柱形曲面。
10.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述瞳孔中继光学器件进一步将在所述NA扩展器处形成的图像中继到观看者的视网膜。
11.根据权利要求8所述的光学装置，其中所述NA扩展器保持圆偏振的入射光的偏振状态。
12.根据权利要求1所述的光学装置，还包括致动器，所述致动器配置为将振动或运动传递给所述NA扩展器，并保持所述NA扩展器表面与所述扫描镜的同心度。
13.根据权利要求1所述的光学装置，还包括一个或多个致动器，所述致动器配置为提供物镜和NA扩展器的同步移动，以提供用于投影图像中深度动画的激光束的多个焦距。
14.一种由观看者佩戴的光学装置，包括：
激光光源，其可激活以将调制光束导向扫描镜；
朝向扫描镜的调制光束路径中的物镜，
其中物镜和扫描镜为扫描的调制光束限定了弯曲的聚焦表面，其中弯曲的聚焦表面在扫描镜处具有聚焦表面曲率中心；
具有零光焦度的数值孔径(NA)扩展器，其扩展表面在位置和曲率上符合所定义的弯曲聚焦表面，并且增加扫描的调制光束的NA，其中所述NA扩展器扩展表面沿着光轴设置；
致动器，其可激活以相对于光轴在一个或多个方向上平移NA扩展器；和
瞳孔中继光学器件，其设置为将扫描镜处的入射瞳孔中继到观看者的眼睛透镜处的出射瞳孔，瞳孔中继光学器件限定入射瞳孔和出射瞳孔之间的光路，所述光路包括：
(i)曲面镜表面，其设置成透射从调制光束入射的光的基本一半，并且在出射瞳孔处具有第一曲率中心；和
(ii)第一偏振器，其设置在光路中以接收来自扫描镜的光，并且形成为将第一偏振的入射光反射向曲面镜表面，并且透射与第一偏振正交的第二偏振的入射光，其中由瞳孔中继光学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且引导向出射瞳孔。
15.根据权利要求14所述的光学装置，其中，所述致动器是第一致动器，并且还包括第二致动器，所述第二致动器可激活以沿着光轴平移所述物镜。
16.根据权利要求14所述的光学装置，还包括第二偏振器，其设置为物镜和扫描镜之间的聚焦光路中的分束器，并且相对于在物镜和扫描镜之间延伸的光轴以大约5度到30度之间的斜角定向。
17.根据权利要求14所述的光学装置，其中所述瞳孔中继光学器件形成为单件。
18.根据权利要求14所述的光学装置，其中，所述致动器配置为提供平移，所述平移为所述NA扩展器扩展表面的扫描部分保持所述NA扩展器扩展表面曲率中心。
19.一种用于向观看者显示图像的方法，包括：
根据物镜和来自扫描镜的扫描图案限定调制光束的弯曲聚焦表面，其中弯曲聚焦表面在扫描镜处具有聚焦表面曲率中心；
通过将具有零光功率的NA扩展器表面定位在调制光束的路径中来增加调制扫描光束的数值孔径(NA)，其中所述NA扩展器表面在位置和曲率上符合所定义的弯曲聚焦表面；和
使用限定入射瞳孔和出射瞳孔之间的光路的瞳孔中继光学器件，将扫描镜处的入射瞳孔光学中继到观看者的眼睛透镜处的出射瞳孔，所述光路包括：
(i)曲面镜表面，其设置成透射从调制光束入射的光的基本一半，并且在出射瞳孔处具有第一曲率中心；和
(ii)第一偏振器，其设置在光路中以接收来自扫描镜的光，并且形成为将第一偏振的入射光反射向曲面镜表面，并且透射与第一偏振正交的第二偏振的入射光，其中由瞳孔中继光学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且引导向出射瞳孔。
20.根据权利要求19所述的方法，其中定位所述NA扩展器表面包括定位漫射元件。
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