CN115335750A - 具有中央凹投射和扩展的眼动范围区的近眼图像投射系统 - Google Patents

Abstract

一种近眼图像投射系统，包括产生入射光束(100a，100b)的针形光阵列(10)，所述入射光束照射被配置用于调制所述入射光束并投射调制光束(110a，110b)的光学光调制器(20)；光学元件(32，70，40)，其被配置成投射所述调制光束以便形成针形光图像(31，39)并且沿着投射轴(170)投射限定眼动范围区(121a，121b)的投射图像光束(112a，112b)。调制光束包括形成中央凹光瞳图像(31)和投射限定中央凹眼动范围区(121a)的中央凹投射图像光束(112a)的中央凹调制光束(110a)，以及形成外围光瞳图像(39)的外围调制光束(110b)。出射光瞳扩展设备(36、38)被配置成针对所述外围针形光图像(39)中的每一个投射光瞳扩展光束(104)并且形成限定比所述中央凹眼动范围区更宽的外围眼动范围区(121a)的外围投射图像光束(112b)。

Description

具有中央凹投射和扩展的眼动范围区的近眼图像投射系统

技术领域

本公开涉及近眼图像投射，更具体讲，涉及用于虚拟、增强、混合或扩展现实头戴设备和相关应用的近眼图像投射。

背景技术

本申请人的专利申请WO2018091984A1中描述了基于针形光（pin-light）的近眼连续光场投射仪。所描述的光场投射仪将光场投射到由出射光瞳处的投射视点的阵列的大小限定的眼动范围（eye-box）内。对于许多使用情况，出射光瞳是小的。同时，投射图像的角分辨率是与投射图像的视场(FoV)折衷的。

发明内容

本公开涉及一种近眼图像投射系统，包括：产生多个入射光束的针形光阵列，所述多个入射光束照射被配置用于调制入射光束的光学光调制器并投射多个调制光束；光学元件，其被配置成投射所述多个调制光束以便在第一针形光平面处形成针形光图像，并且沿投射轴投射限定眼动范围区的多个投射图像光束；其中，所述多个调制光束包括多个中央凹调制光束，所述多个中央凹调制光束形成中央凹（foveal）光瞳图像并投射限定中央凹眼动范围区的多个中央凹投射图像光束。所述多个调制光束还包括形成外围光瞳图像的多个外围调制光束。所述系统还包括出射光瞳扩展设备，其被配置成针对所述外围针形光图像中的每一个投射多个光瞳扩展光束，所述多个光瞳扩展光场形成外围投射图像光束，所述外围投射图像光束限定宽于所述中央凹眼动范围区的外围眼动范围区。

在此公开的图像投射系统中，中央凹投射图像光束有助于在FoV的窄中心部分中形成光场图像。外围调制光束是由与总FoV的外围部分相对应的图像信息调制的，并且通过出射光瞳扩展元件来投射。

图像投射系统具有增加的有效FoV和增加的感知图像分辨率。后者是通过将窄FoV和受限的眼动范围中的高分辨率光场与覆盖较大的总FoV的外围部分并穿过较大眼动范围的非光场图像进行组合来实现的。

图像投射系统可以包括眼睛跟踪和转向设备，其被配置成提供关于观看者正在观看的位置的眼睛跟踪信息。眼睛跟踪和转向设备可以被配置成根据眼睛跟踪信息来偏转外围投射图像光束和光场图像。

附图说明

本发明的示例性实施例在说明书中公开并由附图示出，其中：

图1a至1d示出根据一个实施例的图像投射系统，其示出了中央凹入射光束(图1a)、一个(图1b)或两个(图1c)外围入射光束、以及两个外围入射光束和一个中央凹入射光束(图1d)；

图2a和2b示出根据一个实施例的波导的侧视图(图2a)和正视图(图2b)；

图3表示根据一个实施例的组成FoV；

图4表示根据另一实施例的图像投射系统；

图5示出根据一个实施例的包括不具有光瞳扩展元件(图5a)（用于基本图示）和具有光瞳扩展元件(图5b)的眼睛跟踪和转向设备的图像投射系统；

图6示出根据另一实施例的通过使用反射镜偏转器、投射光学器件、用作光瞳扩展元件的漫射器和分束器的具有单独光场中央凹和外围图像投射路径的图像投射系统；以及

图7示出根据又一实施例的通过使用反射镜偏转器和波导组合器作为光瞳扩展元件的具有单独光场中央凹和外围图像投射路径的图像投射系统。

具体实施方式

图1a至1d示出了根据一个实施例的图像投射系统。该图像投射系统包括产生多个入射光束100a、100b的针形光阵列10，所述多个入射光束100a、100b照射被配置用于调制入射光束100a、100b并投射多个调制光束110a、110b的光学光调制器20。光学元件32、70、40被配置成投射多个调制光束110a、110b，以便在第一针形光平面30处形成针形光图像31、39，并且沿投射轴170投射多个投射图像光束112a、112b，其在第二针形光平面124中形成第二针形光图像120(或视点)并且限定眼动范围区121a、121b。

图像投射系统旨在由观看者佩戴以用于虚拟和混合现实应用。图像投射系统可以被配置成使当观看者佩戴它时，眼动范围区121a、121b和出射光瞳120在观看者的眼睛90内。调制光束110a、110b被朝向观看者的眼睛90的瞳孔130投射，使得调制光束110a、110b被投射在视网膜92上。

光学元件可以包括第一针形光图像光学元件70，其被配置成投射多个调制光束110a、110b，使得调制光束110a、110b中的每一个在第一针形光平面30处形成光瞳图像31、39，并且在调制器图像平面115处形成调制器图像114a、114b。

光学元件还可以包括第二光学元件40，其被配置成与多个调制光束110a、110b相互作用，以便沿着投射轴170投射限定眼动范围区121a、121b的多个投射图像光束112a、112b。第二光学元件40可以包括目镜、诸如弯曲的半透明反射镜的半反射式组合器、反射镜阵列或全息元件中的任何一个。第二光学元件40可以包括组合器，该组合器被配置用于将来自真实世界190的自然光朝向眼动范围区121a、121b透射，使得投射的虚拟光场和自然光二者经由组合器40被投射在眼动范围区121a、121b内。

在图1a中表示的一个方面中，入射光束是由针形光阵列10的中央凹针形光子阵列14产生的并且包括多个中央凹入射光束100a。中央凹调制光束100a的子集穿过第一光学元件50并照射光学光调制器20。第一光学元件50可以包括准直或部分准直透镜，或具有耦入（in-coupling）元件的波导，其接受准直的窄照射光束并通过耦出（out-coupling）元件出射扩展的准直光束。第一针形光图像光学元件70投射多个中央凹调制光束110a，并在第一针形光平面30处形成中央凹光瞳图像31，并且在一些实施例中，与光学元件32一起，在调制器图像平面115处形成中央凹调制器图像114a。第二光学元件40与中央凹调制光束110a相互作用，并且沿投射轴170投射多个投射限定中央凹眼动范围区121a的中央凹图像光束112a。

如图1b和1c所示，由针形光阵列10产生的入射光束还包括多个外围针形光子阵列13，其产生多个外围入射光束100b(外围针形光13通常提供比中央凹针形光14更高强度的照射光)。图1b中示出了一个外围入射光束100b，并且图1c中示出了两个外围入射光束100b。外围入射光束100b穿过第一光学元件50并照射光学光调制器20，在那里它们被调制。第一针形光图像光学元件70投射多个外围调制光束110b。外围调制光束110b在第一针形光平面30处形成外围光瞳图像39。

图像投射系统还包括在第一针形光平面30处的偏转元件60。偏转元件60被配置成相对于投射轴170偏转所述外围调制光束110b。偏转元件60还被配置成形成沿着调制器图像平面115空间移位的经移位的外围调制器图像114b。

偏转元件60可以包括棱镜或任何其他偏转光学元件，诸如偏移透镜。

图像投射系统还包括出射光瞳扩展设备36。出射光瞳扩展设备36被配置成复制外围光瞳图像39(外围针形光图像39表示由出射光瞳扩展元件36复制的光瞳)。对于每个复制的外围光瞳图像39，出射光瞳扩展设备36投射多个光瞳扩展光场104。光学元件32和第二光学元件40与光瞳扩展光场104相互作用，并投射多个投射的外围图像光束112b(非光场外围图像)，从而限定比中央凹眼动范围区121a宽的外围眼动范围区121b。

图像投射系统可以包括位于第一针形光平面30处的傅立叶滤波器34。傅立叶滤波器34可以被配置成从在光学光调制器20上反射和衍射的调制光束110a、110b中去除除了一个衍射分量以外的所有衍射分量。

在一个实施例中，出射光瞳扩展设备包括在第一针形光平面30处延伸的波导36。波导36包括被配置成输入所述外围光瞳图像39的耦入元件35和被配置成投射多个光瞳扩展光场104的耦出元件37。

图1d表示在第一针形光平面30处包括波导36的图像投射系统，示出了两个外围入射光束100b和一个入射光场光束100a。

在一个方面，耦入元件35包括衍射光栅。形成外围光瞳图像39的准直像素光束103(见图2a)通过全内反射在波导36内向耦出元件37传播。耦出元件37可以包括另一衍射光栅，使得全内反射的光瞳图像39从波导36耦合出来并被复制，以便投射多个光瞳扩展光场104。

在另一方面，耦入元件35和/或耦出元件37可以包括全息光学元件。在未示出的替选方面中，耦入元件35和/或耦出元件37可以包括反射镜阵列或部分透明镜(分束器)的堆叠，其中，准直像素束103行进通过从每个反射镜界面部分反射的若干反射镜。在另一变型中，耦入元件35和耦出元件37可以包括衍射光栅、全息光学元件、反射镜阵列或部分透明镜的堆叠中的任何一个或这些元件的组合。

图2a示出了根据一个实施例的波导36的侧视图。在图2a的特定示例中，偏转元件60使外围调制光束110b朝向耦入元件35偏转，使得外围光瞳图像39可以被注入波导36中。图2b示出了包括由黑圆圈表示的四个耦入元件35的波导36的前视图。耦出元件37基本上占据了盘形波导36的整个表面。

耦入元件35可以被配置成准直注入到耦入元件35的未准直的外围调制光束110b。这样的耦入元件35包括了梯度衍射光栅、球面镜或准直全息图。注入的外围调制光束110b携带了准直的像素光束103，其被引导通过波导36并且在与耦出元件37相互作用时逐渐离开波导36。通过小的外围光瞳图像39注入的外围调制光束110b通过耦出元件37离开波导36。耦出元件37可以被配置成使多个光瞳扩展光场104根据耦出元件37的类型和配置连续地或离散地分布在出射光瞳扩展元件36的表面中离开波导36。

每个准直像素束103可以从光瞳扩展光场104的复制投射点以相同角度同时发射(平行)。因此，像素表面上从无穷远发光并穿过多个投射点(或投射光瞳的一个连续的大面积)。

在一个实施例中，波导36可以包括至少一个孔径开口120a，其被配置成透射未受波导36影响的中央凹调制光束110，使得调制光束110在调制器图像平面115处形成中央凹调制器图像114a。在图2b的示例中，波导36包括由空心圆表示的三十二个孔径开口120a。

在图像投射系统包括傅立叶滤波器34的情况下，后者可以包括一个或几个孔径开口120a。这里，每个中央凹光瞳图像31与设置在波导36中并且可能在傅立叶滤波器34中的孔径开口120a重合。

在另一实施例中，图像投射系统包括调制器成像透镜32(见图1a至1d)，其被配置成聚焦多个光瞳扩展光束104，以便形成经移位的外围调制器图像114b。

图3表示了组成FoV。中央区11包含中央凹调制器图像114a，其穿过孔径开口120a并形成中央凹眼动范围区121a。四个外围区12a-d中的每一个包含(非光场)外围调制器图像114b，并形成外围眼动范围区121b。

图4表示了根据另一实施例的图像投射系统，其中，出射光瞳扩展设备包括在调制器图像平面115处的漫射器元件38。在这种配置中，外围入射光束100b穿过第一光学元件50并照射光学光调制器20，在那里它们被调制。第一针形光图像光学元件70投射多个外围调制光束110b。外围调制光束110b在第一针形光平面30处形成外围光瞳图像39。偏转元件60被配置成相对于投射轴170偏转所述外围调制光束110b，并形成在调制器图像平面115中空间移位的经移位的外围调制器图像114b。漫射器元件38投射多个光瞳扩展光场104，扩展外围调制光束110b的每个像素的角发射范围。漫射器元件38可以是透射的或反射的。漫射器元件38可以是荧光漫射器，以便在照射时间短或占空比小的情况下延长图像发射。漫射器元件38也可以由发射显示器代替。

眼窝中眼睛90的移动可导致眼睛瞳孔130离开中央凹眼动范围区121a，并且图像光无法进入眼睛90，这会导致中央凹图像光束112a(投射图像的光场部分)覆盖的FoV中的图像信息的损失。这个问题可以通过用穿过外围眼动范围区121b的非光场图像对FoV的这个部分进行临时填充来减少，并且因此当眼睛90移动时不会丢失。结果，覆盖中央凹图像光束112a的图像部分总是存在。这种简单的解决方案至少需要二进制的眼睛跟踪信息，其识别眼睛瞳孔130是否位于眼动范围的光场部分中，即在中央凹图像光束112a内。由于眼睛90仅花费中央凹眼动范围121a外部的一小部分时间，通常小于5%，并且每次仅是短暂的，所以该解决方案对于大多数使用情况是足够的。

在图5a所示的一个实施例中，图像投射系统包括眼睛跟踪和转向设备。该眼睛跟踪和转向设备被配置成提供关于观看者正在看哪里的眼睛跟踪信息并且根据眼睛跟踪信息来偏转外围投射图像光束112b。

眼睛跟踪和转向设备可被进一步配置成在眼睛跟踪信息指示观看者正在中央凹眼动范围区121外部观看时在中央凹眼动范围区121外部提供外围投射图像光束112b。

更具体讲，眼睛跟踪和转向设备可以被配置成估计眼睛90、特别是瞳孔130凝视的位置和方向。眼睛跟踪和转向设备可以进一步被配置成估计用户的眼睛90和/或瞳孔130凝视的位置和方向。

在一个方面，眼睛跟踪和转向设备可以包括可根据眼睛跟踪信息移动的反射镜或透镜。眼睛跟踪信息可被提供给控制器(未示出)，该控制器控制可移动反射镜或透镜以调整外围投射图像光束112b的角度。

眼睛跟踪和转向设备可以与包括如图5b中所示的出射光瞳扩展元件36的图像投射系统组合。

图6示出了根据另一实施例的图像投射系统，其中，出射光瞳扩展元件36包括离轴光学器件150，其偏离平行于中央凹和外围入射光束100a、100b的入射投射轴160。偏转元件60(反射镜)使外围调制光束110b朝向离轴光学器件150偏转，该离轴光学器件将外围调制光束110b投射在基本上平行于入射投射轴160延伸的漫射器元件38上。漫射器元件38沿着投射轴170(基本上垂直于入射投射轴160)投射多个光瞳扩展光场104。

图像投射系统包括分束器140。中央凹调制光束110a穿过第一针形光平面30中的孔径开口120a并到达该分束器140，在此它们被沿着投射轴170反射，朝向用户的眼睛90。反射的中央凹调制光束110a和光瞳扩展光场104在基本上平行于入射投射轴160延伸的第二光学元件40中被组合。在该实施例中，由于光学器件150和漫射器元件38将单个外围图像扩展到宽FoV，因此可以仅使用产生一个外围图像的一个针形光13。

图7示出了根据又一实施例的图像投射系统，其中，出射光瞳扩展元件36包括光导。偏转元件60(反射镜)使单个外围调制光束110b向光导的耦入元件35偏转。光导36引导单个外围调制光束110b并从设置在光导36中的耦出元件37投射光瞳扩展光场104。光瞳扩展光场104沿投射轴170被投射。投射轴170可以相对于入射投射轴160形成30°至120°之间的角度。

中央凹调制光束110a穿过第一针形光平面30中的孔径开口120a并到达第二光学元件40，基本上平行于耦出元件37延伸。中央凹调制光束110a在第二光学元件40上沿着投射轴170被反射。中央凹调制光束110a与光瞳扩展光场104组合，并到达用户的眼睛90。

参考数字和符号

10 针形光阵列

11中心区

12a、12b、12c、12d外围区

13外围针形光子阵列

14中央凹针形光子阵列

20光学光调制器

30第一针形光平面

31中央凹光瞳图像

32调制器成像透镜

34傅立叶滤波器

35耦入元件

36出射光瞳扩展元件

37耦出元件

38漫射器元件

39外围光瞳图像

40第二光学元件

50第一光学元件

60偏转元件

70第一针形光图像光学元件

90眼

92视网膜

100a中央凹入射光束

100外围入射光束

104光瞳扩展光束

110a中央凹调制光束

110b外围调制光束

112a中央凹图像光束

112b外围图像光束

114a中央凹调制器图像

114b外围调制器图像

115调制器图像平面

120第二针形光图像，视点

120a孔径开口

121a投射的中央凹眼动范围区

121b投射的外围眼动范围区

124第二针形光平面

130光瞳

140分束器/半透明镜

150图像投射光学器件

160入射投射轴

170投射轴

190真实世界。

Claims (20)

1.一种近眼图像投射系统，包括：

针形光阵列(10)，所述针形光阵列(10)生成照射光学光调制器(20)的多个入射光束(100a、100b)，所述光学光调制器被配置成调制所述入射光束(100a、100b)并且投射多个调制光束(110a、110b)；

光学元件(32，70，40)，所述光学元件被配置成投射所述多个调制光束(110a，110b)以便在第一针形光平面(30)处形成针形光图像(31，39)，并且沿着投射轴(170)投射限定眼动范围区(121a，121b)的多个投射图像光束(112a，112b)；

其中，所述多个调制光束包括形成中央凹光瞳图像(31)并投射限定中央凹眼动范围区(121a)的多个中央凹投射图像光束(112a)的多个中央凹调制光束(110a)；

其特征在于：

所述多个调制光束还包括形成外围光瞳图像(39)的多个外围调制光束(110b)；

所述系统还包括出射光瞳扩展设备(36、38)，所述出射光瞳扩展设备被配置成对于所述外围针形光图像(39)中的每一个投射多个光瞳扩展光束(104)，所述多个光瞳扩展光场(104)形成外围投射图像光束(112b)，所述外围投射图像光束限定比所述中央凹眼动范围区(121a)宽的外围眼动范围区(121b)。

2.根据权利要求1所述的图像投射系统，

其中，所述第一针形光图像光学元件(70)投射所述多个中央凹调制光束(110a)，以便在调制器图像平面(115)处形成中央凹调制器图像(114a)；以及

其中，所述图像投射系统还包括在所述第一针形光平面(30)处的偏转元件(60)，所述偏转元件被配置成相对于所述投射轴(170)偏转所述外围调制光束(110b)并且形成沿着所述调制器图像平面(115)空间移位的经移位的调制器图像(114a)。

3.根据权利要求2所述的图像投射系统，

其中，所述出射光瞳扩展设备还包括在所述调制器图像平面(115)处的漫射器元件(38)。

4.根据权利要求1或2所述的图像投射系统，

其中，所述扩展设备包括在所述第一针形光平面(30)中延伸的波导(36)，所述波导(36)包括被配置成输入所述外围针形光图像(39)的耦入元件(35)和被配置成投射所述多个光瞳扩展光束(104)的耦出元件(37)。

5.根据权利要求4所述的图像投射系统，

其中，所述耦出元件(37)被配置成投射多个离散光瞳扩展光束(104)。

6.根据权利要求4所述的图像投射系统，

其中，所述耦出元件(37)被配置成投射连续分布的光瞳扩展光束(104)。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的图像投射系统，

还包括光束聚焦元件(32)，所述光束聚焦元件被配置成聚焦所述多个光瞳扩展光束(104)以便形成所述经移位的调制器图像(114a)。

8.根据权利要求7所述的投射系统，

其中，所述耦入元件(35)被配置成使所述外围调制光束(103)准直。

9.根据权利要求4至9中任一项所述的图像投射系统，

其中，所述耦入元件(35)或耦出元件(37)中的至少一个包括全息光学元件。

10.根据权利要求4至9中任一项所述的图像投射系统，

其中，所述耦入元件(35)或耦出元件(37)中的至少一个包括反射镜阵列或部分透明镜的堆叠。

11.根据权利要求4至9中任一项所述的图像投射系统，

其中，所述耦入元件(35)或耦出元件(37)中的至少一个包括衍射光栅。

12.根据权利要求4至11中任一项所述的图像投射系统，

其中，所述波导(36)包括孔径开口(120a)，每个孔径开口被配置成透射所述针形光图像(31)。

13.根据权利要求2或12所述的图像投射系统，

其中，所述偏转元件(60)包括棱镜。

14.根据权利要求2或13所述的图像投射系统，

包括第二光学元件(40)，所述第二光学元件被配置成与所述多个调制光束(110a，110b)相互作用，以便沿着投射轴(170)投射限定眼动范围区(121a，121b)的多个投射图像光束(112a，112b)。

15.根据权利要求14所述的图像投射系统，

其中，所述第二光学元件(40)包括被配置成将来自所述真实世界(190)的自然光朝向所述眼动范围区(121a、121b)透射的组合器。

16.根据权利要求1所述的图像投射系统，

其中，所述出射光瞳扩展元件(36)包括离轴光学器件(150)和漫射器元件(38)，所述离轴光学器件(150)被配置成将所述外围调制光束(110b)投射在所述漫射器元件(38)上，所述漫射器元件(38)沿着所述投射轴(170)投射所述光瞳扩展光场(104)，所述投射轴基本上正交于平行于所述中央凹和外围入射光束(100a、100b)的入射投射轴(160)；以及

其中，所述图像投射系统包括分束器(140)，所述分束器沿着所述投射轴(170)反射所述中央凹调制光束(110a)，所反射的中央凹调制光束(110a)被组合到所述光学元件(40)中的所述光瞳扩展光场(104)中。

17.根据权利要求1所述的图像投射系统，

其中，所述出射光瞳扩展元件包括光导(36)，所述光导被配置成引导外围调制光束(110b)并且沿着所述投射轴(170)从被提供在所述波导(36)中的耦出元件(37)投射所述光瞳扩展光场(104)，从而相对于平行于所述中央凹和外围入射光束(100a、100b)的入射投射轴(160)形成一个角度；以及

其中，所述中央凹调制光束(110a)在所述第二光学元件(40)上沿着所述投射轴(170)被反射。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的图像投射系统，

包括眼睛跟踪和转向设备，所述眼睛跟踪和转向设备被配置成提供关于观看者正在看的位置的眼睛跟踪信息；以及

其中，所述眼睛跟踪和转向设备被配置成根据眼睛跟踪信息来偏转所述外围投射图像光束(112b)。

19.根据权利要求18所述的图像投射系统，

其中，所述眼睛跟踪和转向设备包括可根据眼睛跟踪信息移动的反射镜或透镜。

20.根据权利要求19所述的图像投射系统，

其中，所述眼睛跟踪和转向设备被配置成当所述眼睛跟踪信息指示所述观看者正在看向所述第一眼动范围区(121)外时，提供所述第一眼动范围区(121)外的非光场图像。

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