CN116529698A

CN116529698A - 包括选择性照明的光学系统

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Publication number: CN116529698A
Application number: CN202180080998.9A
Authority: CN
Inventors: 希蒙·格拉巴尼克; 齐翁·艾森菲尔德
Original assignee: Lumus Ltd
Current assignee: Lumus Ltd
Priority date: 2020-12-06
Filing date: 2021-12-06
Publication date: 2023-08-01

Abstract

在实施方式中，公开了一种包括至少一个处理器的装置。至少一个处理器被配置成至少部分地基于眼睛的瞳孔相对于眼动箱的位置来从多个光源中选择光源。所选择的光源被配置成利用光束照射眼动箱的与瞳孔的位置对应的部分。至少一个处理器还被配置成激活所选择的光源以照射眼动箱的该部分。

Description

包括选择性照明的光学系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年12月28日提交的题为“DISPLAYS EMPLOYING SELECTIVE EYEPUPIL ILLUMINATION WITH OPTIONAL LIGHT FIELD PROJECTION”的美国临时申请第63/130,957号的权益，以及于2020年12月6日提交的题为“DISPLAYS EMPLOYING SELECTIVEEYE MOTION BOX ILLUMINATION”的美国临时申请第63/121,937号的权益，以上中的每一个的全部内容通过引用并入本文中。

说明书背景

本公开内容涉及光学系统。更具体地，本公开内容涉及具有在一些实施方式中可以用于近眼显示系统的选择性照明的光学系统。

诸如近眼显示系统的光学系统通常以可能引起导致图像质量降低的潜在像差的方式照射用户的眼睛。例如，光学系统可以利用图像的光束照射整个瞳孔。由于光束中的像差(例如彗差、散光或任何其他像差)，当图像的部分穿过瞳孔并且到达视网膜时，这些部分会变得模糊并且可能变形。

发明内容

在实施方式中，公开了一种包括至少一个处理器的装置。至少一个处理器被配置成至少部分地基于眼睛的瞳孔相对于眼动箱的位置来从多个光源中选择光源。所选择的光源被配置成利用光束照射眼动箱的与瞳孔的位置对应的部分。至少一个处理器还被配置成激活所选择的光源以照射眼动箱的部分。

在一些实施方式中，所选择的光源被配置成利用光束照射眼动箱的仅与瞳孔的一部分对应的部分。

在实施方式中，至少一个处理器被配置成至少部分地基于所选择的光源来确定要施加到光束的变形，并且被配置成至少部分地基于所确定的变形来引起对光束的修改。

在另一实施方式中，至少部分地基于所选择的光源来确定要施加到光束的变形包括：针对由准直器引起的像差确定对光束的校正。

在一些实施方式中，至少部分地基于所确定的变形来引起对光束的修改：包括使空间光调制器至少部分地基于所确定的变形来修改光束。

在实施方式中，光束至少部分地基于耦出装置的多个元件来照射眼动箱的部分。可以将元件中的每一个元件的反射率和强度中的至少一个在至少两个状态之间选择性地调整。至少一个处理器还被配置成至少部分地基于所选择的光源来确定多个元件中的给定元件的目标状态，并且使得将给定元件设置为目标状态。

在另一实施方式中，光源为第一光源，并且至少一个处理器被配置成选择多个光源中的第二光源。第二光源被配置成照射眼动箱的一部分。

在一些实施方式中，公开了一种方法，包括至少部分地基于眼睛的瞳孔相对于眼动箱的位置从多个光源中选择光源。所选择的光源被配置成利用光束照射眼动箱的与瞳孔的位置对应的部分。方法还包括激活所选择的光源以照射眼动箱的部分。

在实施方式中，其中，方法还包括至少部分地基于所选择的光源来确定要施加到光束的变形，并且至少部分地基于所确定的变形来引起对光束的修改。

在另一实施方式中，至少部分地基于所选择的光源来确定要施加到光束的变形包括确定针对由准直器引起的像差对光束的校正。

在一些实施方式中，至少部分地基于所确定的变形来引起对光束的修改包括：使空间光调制器至少部分地基于所确定的变形来修改光束。

在实施方式中，光束至少部分地基于耦出装置的多个元件来照射眼动箱的部分，其中，可以将元件中的每一个元件的反射率和强度中的至少一个在至少两个状态之间选择性地进行调整。该方法还包括至少部分地基于所选择的光源来确定多个元件中的给定元件的目标状态，并且使得将给定元件设置为目标状态。

在另一实施方式中，光源为第一光源，并且该方法还包括选择多个光源中的第二光源。第二光源被配置成照射眼动箱的一部分。

在实施方式中，公开了一种光学系统。光学系统包括多个光源和光导光学元件，光导光学元件包括耦出装置，该耦出装置被配置成将从多个光源接收的光束朝向光学系统的眼动箱进行引导。光学系统还包括控制器，该控制器被配置成至少部分地基于眼睛的瞳孔相对于眼动箱的位置来从多个光源中选择光源。所选择的光源被配置成发射光束，该光束在由耦出装置引导时照射眼动箱的与瞳孔的位置对应的部分。控制器还被配置成激活所选择的光源以照射眼动箱的部分。

在一些实施方式中，光学系统还包括被配置成确定瞳孔的位置的眼动跟踪系统。控制器被配置成确定眼动箱的与由眼动跟踪系统确定的瞳孔的位置对应的部分。

在实施方式中，光学系统还包括设置在多个光源与光导光学元件之间的空间光调制器。控制器被配置成至少部分地基于所选择的光源来确定要施加到光束的变形，并且空间光调制器被配置成至少部分地基于所确定的变形来修改光束。

在另一实施方式中，光学系统还包括被配置成将来自所选择的光源的光束朝向空间光调制器进行引导的光学装置。该光学装置包括第一透镜、第二透镜、设置在第一透镜与第二透镜之间的第一微透镜阵列、以及设置在第一微透镜阵列与第二透镜之间的第二微透镜阵列。

在一些实施方式中，多个光源位于第一透镜的焦平面中，第二微透镜阵列位于第一微透镜阵列的焦平面中，并且空间光调制器位于第二透镜的焦平面中。

在实施方式中，耦出装置包括多个元件。控制器被配置成将元件中的每一个元件的反射率和强度中的至少一个在至少两个状态之间选择性地进行调整。

前述概述仅是说明性的，并且不旨在以任何方式进行限制。除了上述说明性方面、实施方式和特征之外，通过参照附图和以下详细描述，其他方面、实施方式和特征将变得明显。在附图中，相同的附图标记指示相同的元件或功能上相似的元件。

附图说明

图1是根据实施方式的示例光学系统的示意图。

图2A至图2C是示出根据实施方式的用于2D瞳孔扩展的图1的光学系统的示例图像投影组件的示意图。

图3是示出根据实施方式的用于1D瞳孔扩展的图1的光学系统的示例图像投影组件的示意图。

图4是示出根据实施方式的将光束投影到表面上的图。

图5是示出根据实施方式的通过子孔径将图4的光束投影到表面上的图。

图6A是示出根据实施方式的由图2A至图2C的示例图像投影组件的投影光学器件(projection optics device，POD)的全孔径投影的光束的示意图。

图6B是示出根据实施方式的被投影到眼睛上的图6A的光束的图。

图7A是示出根据实施方式的由图2A至图2C的示例图像投影组件的POD的第一子孔径投影的光束的示意图。

图7B是示出根据实施方式的被投影到眼睛上的图7A的光束的图。

图8A是示出根据实施方式的由图2A至图2C的示例图像投影组件的POD的第二子孔径投影的光束的示意图。

图8B是示出根据实施方式的被投影到眼睛上的图8A的光束的图。

图9A至图9C示出了根据实施方式的投影到眼睛上的图6A至图8B的光束的示例像差图。

图10和图11是示出根据实施方式的图1的光学系统的示例POD的示意图。

图12是示出根据实施方式的其中控制器控制图10和图11的POD的空间光调制器(spatial light modulator,SLM)的图1的光学系统的示意图。

图13A是示出根据实施方式的用于部分眼睛瞳孔照明和选择性眼动箱(eyemotion box，EMB)照明的示例过程的图。

图13B和图13C是示出根据实施方式的根据图13A的示例过程的示例像差图的图。

图13D是根据实施方式的图13A的示例过程的流程图。

图14和图15是示出根据实施方式的图1的具有微透镜阵列(micro-lens array，MLA)的光学系统的示例POD的示意图。

图16A和图16B是示出根据实施方式的图1的光学系统的示例图像投影组件的示意图。

图16C是示出根据实施方式的图1的光学系统的示例图像投影组件的示意图。

图17是示出根据实施方式的由图10的POD投影到图1的光学系统的光导光学元件(light-guide optical element，LOE)中并且被导向到EMB的光束的示意图。

图18A至图18C是示出根据实施方式的来自图10的POD的不同孔径和不同视场(fields of view，FOV)的光束相对于眼睛的瞳孔的位置的路径的图。

图19A至图19C是示出根据实施方式的图1的具有MLA的光学系统的POD和照明元件的示意图。

图20和图21是示出根据实施方式的眼睛中的调节(accommodation)变化对投影到瞳孔上的光束的影响的图。

图22是示出根据实施方式的图2A至图2C的示出形成时分复用光场图像的光束的图像投影组件的示意图。

图23是示出根据实施方式的图3的示出形成时分复用光场图像的光束的图像投影组件的示意图。

图24是示出根据实施方式的时分复用光场图像的图。

图25A至图25C是示出根据实施方式的图1的具有动态小平面结构的光学系统的图像投影组件的示意图。

图26是示出根据实施方式的图25的动态小平面结构的示意图。

图27A和图27B是示出根据实施方式的图1的具有可切换布拉格反射器(switchable Bragg reflector，SBR)的光学系统的图像投影组件的示意图。

图28是示出根据实施方式的图12的其中控制器还控制LOE的小平面的反射率和强度中的至少一个的光学系统的示意图。

图29是根据实施方式的用于具有时分复用光场成像的部分眼睛瞳孔照明和选择性眼动箱(EMB)照明的示例过程的流程图。

具体实施方式

在诸如近眼显示系统的光学系统中，光束从显示系统输出至非常接近显示系统的目标表面(例如用户的眼睛)。当投影图像时，这样的光学系统通常照射整个眼睛或眼睛的整个瞳孔。在一些情况下，眼睛或瞳孔的这样的地毯式照射可能与光学投影系统的像差结合，从而降低了用户所得到的图像的质量。例如，当光束穿过眼睛的晶状体并且聚焦到视网膜上时，图像的一些部分可能变得模糊、变形或具有用户所见的其他像差。

在一些实施方式中，所公开的光学系统被配置成通过选择性地仅照射用户看到良好质量图像所需的瞳孔部分来减少或抑制这样的像差。这样的选择性照射在本文中也称为部分眼睛瞳孔照射。例如，与全眼照射相比，部分眼睛瞳孔照射可以有益于实现改善的图像质量，并且可以利用较不复杂的光学系统。在一些实施方式中，部分眼睛瞳孔照射可以与投影图像的位移结合以创建时分复用光场图像，这可以提供对聚散度调节冲突(vergence-accommodation conflict，VAC)问题的解决方案。当大脑接收到虚拟三维(three-dimensional，3D)对象的距离(有时称为聚散度)与眼睛聚焦到虚拟3D对象所需的聚焦距离(有时称为眼睛的适应性调节)之间的失配提示时，发生VAC。

在一些实施方式中，所公开的光学系统还或替选地被配置成一次仅照射眼动箱(EMB)的一部分(例如EMB中的眼睛瞳孔当前所在的部分)，在本文中也称为选择性EMB照射。与完整EMB照射相比，选择性EMB照射可以在光学系统中提供增加的功率效率，因为通过部分EMB照射使图像照射分布在较小的区域上。

部分眼睛瞳孔照射、时分复用光场成像和选择性EMB照射可以单独或一起使用，并且向可以被配置为近眼显示系统的光学系统提供以上提及的和其他益处。

现在参照图1和图2A至图2C描述示例光学系统100。光学系统100包括图像投影组件110、控制器140和眼睛跟踪系统160。眼睛跟踪系统160可以是可选的，并且被配置成跟踪用户的眼睛180的瞳孔的位置，并且向控制器140提供相应的位置信息。图像投影组件110包括投影光学器件(POD)112和光导光学元件(LOE)114，并且被配置成利用二维(two-dimensional，2D)瞳孔扩展将图像投影到用户的眼睛180上。

POD 112包括图像生成器、空间光调制器(SLM)304(图10)或通常包括在图像投影组件中的其他部件。可以将这些部件中的一些或全部布置在一个或更多个偏振分束器(polarizing beamsplitter，PBS)立方体或其他棱镜装置的表面上。图像生成器包括提供诸如光束或激光束的照射的照明源，该照射与要投影到用户的眼睛180上的图像对应。示例照明源可以包括发光二极管(light emitting diode，LED)、微LED或其他照明源。

可以将SLM 304实现为包括诸如有机发光二极管(organic light emittingdiode，OLED)显示元件、背光液晶显示器(liquid crystal display，LCD)面板、微LED显示器、数字光处理(digital light processing，DLP)芯片的部件或另一发光部件的发光SLM；或者可以将SLM 304实现为诸如硅上液晶(liquid crystal on silicon，LCOS)芯片的反射SLM。可以在准直光学器件与SLM 304之间插入分束器立方体块，从而使得能够将照射递送至SLM 304的表面。

SLM 304被配置成调制照射的每个像素的投影强度以生成图像。在一些实施方式中，SLM 304可以从显示器的每个像素提供在LOE 114的平面(例如下面描述的主外表面116和118的平面)中发散的光束。在从LOE 114的反射光学装置122反射之后，光束可以在LOE114的平面中被准直。在一些实施方式中，光束可以在LOE 114的平面中被准直，但可以不在与LOE 114正交的平面中被准直。

替选地，POD 112可以包括诸如快速扫描镜的扫描装置，该扫描装置跨POD 112的图像平面扫描来自光源的照射，同时照射的强度与基于逐个像素的运动同步变化，以为每个像素投影期望强度。

POD 112还包括用于将图像的照射注入LOE 114的耦入装置，例如耦入反射器、成角度的耦合棱镜或任何其他耦入装置。在一些实施方式中，POD 112与LOE 114之间的耦合可以包括直接耦合，例如POD 112可以与LOE 114的一部分接触；或者可以包括经由附加的孔径扩展装置的耦合，该附加的孔径扩展装置用于扩展在LOE 114的平面中注入图像的孔径的大小。

POD 112还包括可以用于限制照射的大小的孔径或其他部件。例如，如图2A所示，POD 112可以被配置成使用第一孔径大小输出光束126，使得光束126一旦被LOE 114的反射光学装置122准直就具有宽度D，并且可以被配置成使用小于第一孔径大小的第二孔径大小输出第二光束130，使得光束130一旦被LOE 114的反射光学装置122准直就具有宽度d，宽度d小于宽度D。

LOE 114包括波导，该波导包括不具有光学活性的边缘以及第一平行主外表面116和第二平行主外表面118，例如如图2C所示。LOE 114还包括耦出装置120和诸如透镜的反射光学装置122。反射光学装置122被配置成将穿过LOE 114的照射往回朝着耦出装置120进行重定向，同时还对照射进行准直，例如如图2A所示。尽管上面将反射光学装置122描述为反射透镜，但是也可以替选地使用更广范围的其他透镜类型和实现方式，包括但不限于球面、非球面或自由形式的由玻璃或塑料形成的折射透镜、衍射透镜、菲涅耳透镜、反射透镜以及上述的任何组合。

耦出装置120被配置成将从LOE 114出来的照射引向EMB 128，以投影到用户的眼睛180上。在一些实施方式中，耦出装置被示出为多个平行的部分反射表面(本文中也称为小平面124)，小平面124以与LOE 114的主外表面116和118成倾斜角的方式布置在LOE 114内。小平面124包括角度相关的涂层，涂层在某些角度提供高透射，并且在其他角度提供部分反射。

例如，通过反射离开主外表面116和118，光束126穿过LOE 114朝向反射光学装置122行进，如图2C所示。光束126例如由于在行进角处的高透射而穿过小平面124行进到反射光学装置122，并且反射光学装置122对光束126进行反射、将光束126往回朝向小平面进行重定向并且将光束126准直为具有宽度D。在被反射光学装置122反射之后，当准直光束126遇到小平面124时，光束126例如由于在光束126的行进角处的部分反射被小平面124朝向EMB 128重定向而具有宽度D_EMB，宽度D_EMB与EMB 128的宽度大约相同。

尽管本文中的描述涉及基于小平面的耦出装置，但是可以替选地利用任何其他耦出装置，包括例如具有衍射光学元件的耦出装置。

反射光学装置122可以具有柱面光焦度，该柱面光焦度通过主外表面116和主外表面118的内反射将照射的至少一部分沿面内方向往回朝向小平面124反射。从反射光学装置122反射之后的照射在垂直于主外表面116和118的平面中以及在平行于主外表面116和118的平面中被准直。反射光学装置122可以与LOE 114的边缘集成，并且具有与LOE 114的主外表面116和主外表面118垂直的圆柱轴。在一些实施方式中，反射光学装置122可以包括集成到LOE 114中的具有柱面焦度的衍射光学元件。

反射光学装置122可以在与光传播通过LOE 114时的照射对应的角度范围内具有高反射率，并且在该范围之外的角度处具有低反射率，例如透射或吸收。以这种方式，反射光学装置122将由POD 112发射的通过全内反射在LOE 114中传播的光进行反射，同时可以抑制来自任何其他光源的光的反射。例如，来自外界光源(例如太阳)的光将以低反射率范围中的角度到达反射光学装置122，并且从LOE 114反射离开或被吸收。以这种方式，将减小由外部光源引起的潜在重影图像的强度。在一些实施方式中，使用例如提供选择性性反射率和期望角度的多层涂覆技术、以取决于光的入射角的反射率形成反射光学装置122。在另一实施方式中，可以利用在相对窄的角度范围内具有高衍射效率的一个或更多个体积布拉格光栅来形成反射光学装置122。

现在参照图3，描述根据另一实施方式的示例图像投影组件210。如图3所示，类似的元件具有与图1和图2A至图2C的图像投影组件110类似的附图标记。例如，图像投影组件210包括POD 212、LOE 214、主外表面(未示出)、耦出装置220、小平面224以及类似于上述图像投影组件110的部件的其他部件。图像投影组件210被配置成利用一维(one-dimensional，1D)瞳孔扩展来将图像投影到用户的眼睛180上。在图像投影组件210的实施方式中，POD 212在顶部附接至LOE 214，而不是使用反射光学装置122将照射重定向回小平面224上。例如，从POD 212发射的照射传播通过LOE 214，并且经由耦出装置220的小平面224朝向EMB(未示出)逐渐射出。在该实施方式中，由POD 212输出的照射在该照射进入LOE214时已经被准直。

返回参照图1，控制器140包括具有一个或更多个处理装置、存储器或其他部件的计算装置。例如，控制器140可以包括中央处理单元(central processing unit，CPU)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)、微控制器、专用电路或任何其他部件。控制器140被配置成控制POD 112以生成图像并且将图像输出至LOE 114以投影到用户的眼睛180，如下面将更详细地描述的。

在一些实施方式中，可以将控制器140集成到图像投影组件110中或者集成到包括图像投影组件110的装置中，例如眼镜、头戴式显示器或另一装置。在一些实施方式中，控制器140可以位于远离图像投影组件110的位置。例如，图像投影组件可以包括被配置成与控制器140通信的有线或无线通信装置。作为示例，控制器140可以被包括作为移动装置或者与图像投影组件110或包括图像投影组件110的装置分离的其他计算装置的一部分。

眼睛跟踪系统160包括一个或更多个眼睛跟踪相机、激光器或其他光学装置，它们被配置成确定用户的眼睛180的瞳孔182的位置，并且被配置成生成与该位置对应的位置信息，例如坐标或其他位置信息。可以将位置信息提供给控制器140，以用于控制POD 112生成图像并且将图像输出至LOE 114。

现在参照图2A至图9C，现在将更详细地描述和说明根据一些实施方式的部分眼睛瞳孔照射。

现在参照图4，在示例场景中，理想透镜400具有孔径D₀。透镜400由平行光束402照射，其中波前不是完全平面的，而是包含一个或更多个光学像差。在该示例场景中，透镜400在位于透镜400的焦平面处的屏幕404上的点P₀处产生图像。由于光束中存在像差，使图像变得模糊并且具有尺寸d₀。

现在参照图5，在另一示例场景中，由相同的有像差光束402照射理想透镜400。然而，在该示例场景中，将光阑406定位在透镜400的前面，使得只有直径为D₁的子孔径被光束402照射，其中D₁小于D₀。在该示例场景中，透镜400在屏幕404上的点P₁处产生图像，该点P₁通常可以不同于图4的示例场景的点P₀。图像是模糊的并且具有尺寸d₁，尺寸d₁小于在图4的示例场景中产生的图像的图像尺寸d₀。

如在图4和图5的示例场景中看到的，减小透镜400通过其暴露于光束402的孔径的直径可以改善图像质量，只要所得到的几何图像尺寸d₁大于孔径的衍射极限。根据光束402中存在的像差的类型，图像的位置基于被照射的子孔径D₁的位置而改变。

图6A和图6B示出了使用其中由光束134照射POD 112的全角度孔径的图像投影组件110的示例情形。准直光束134在从反射光学装置122反射之后的宽度等于D_EMB，即EMB 128的宽度。图6B示出了用户的眼睛180，其中具有大于眼睛180的瞳孔182的宽度D_EP的宽度D_EMB的准直光束134照射眼睛180，并且经由眼睛180的晶状体184将图像J₀投影到眼睛180的视网膜186上。在该示例场景中，由于由瞳孔182收集的光束134的像差，投影到视网膜186上的所得到的图像J₁变得模糊并且具有尺寸s₁。

图7A和图7B示出了使用根据示例实施方式的图像投影组件110的示例场景，其中POD 112在LOE 114的平面中的角度孔径的仅一部分被光束136照射。例如，POD 112中的选择性照明系统(例如将在下面更详细地描述的)可以用于仅照射POD 112的角度孔径的一部分。在该示例场景中，POD 112在与LOE 114的主外表面116和118的平面成法向的平面中的角度孔径可以被完全照射。准直光束136在从反射光学装置122反射之后的宽度等于D₂，D₂小于瞳孔182的宽度D_EP，使得准直光束136仅照射瞳孔182的一部分，如图7B所示。准直光束136经由眼睛180的晶状体184将图像J₂投影到视网膜186上。图像J₂在与图像J₁的位置不同的位置处投影在视网膜186上，图像J₂是模糊的并且具有小于图像J₁的尺寸s₁的尺寸s₂。

图8A和图8B示出了使用根据示例实施方式的图像投影组件110的示例场景，其中POD 112在LOE 114的平面中的角度孔径的另一部分被光束138照射。例如，POD 112中的选择性照明系统可以用于仅照射POD 112的角度孔径的一部分，在该示例中，角度孔径的被照射部分不同于图7A和图7B中所示并且由光束136照射的部分。与光束136一样，POD 112在与LOE 114的主外表面116和118的平面成法向的平面中的角度孔径可以被光束138完全照射。准直光束138在从反射光学装置122反射之后的宽度等于D₃，D₃小于瞳孔182的宽度D_EP，使得准直光束138仅照射瞳孔182的一部分，如图8B所示。准直光束138经由眼睛180的晶状体184将图像J₃投影到视网膜186上。图像J₃在与图像J₁和图像J₂二者的位置不同的位置处被投影在视网膜186上，图像J₃是模糊的并且具有小于图像J₁的尺寸s₁的尺寸s₃。

在每个示例场景中，可以将投影图像在视网膜186上的位置J₁、J₂和J₃限定为被照射位置的形心。以这样的方式，图6A至图8B中投影图像的位置J₁、J₂和J₃被认为是不同的，即使投影图像中的一个或更多个的一部分可能在视网膜186上交叠。

图9A至图9C示出了根据以上针对图6A至图8B描述的示例场景中的每一个场景的光学系统100的光学像差图，该光学系统在LOE 114的端部处具有反射光学装置122，例如柱面镜。在图9A至图9C中，轴px是指瞳孔坐标轴并且与图6A至图8B中的轴X重合，轴ey是指作为瞳孔入射半径的函数的横向光线误差，ac、bc和cc是指由反射光学装置122产生的像差，af是指具有完全照射的角度孔径的光束的宽度，并且bf和cf是指POD 112的子孔径宽度。

图9A示出了其中光束134照射瞳孔182的整个区域的图6A和图6B的示例场景的像差图。如图9A所示，与图9B和图9C所示的像差相比，由反射光学装置122产生的像差ac相对较大。

图9B示出了其中光束136照射瞳孔182的第一部分的图7A和图7B的示例场景的像差图。如图9B所示，像差bc在像差图上形成第一虚线矩形，像差bc小于由对瞳孔182的完整照射产生的像差ac。

图9C示出了其中光束138照射瞳孔182的第二部分的图8A和图8B的示例场景的像差图。如图9C所示，像差cc在像差图上形成第二虚线矩形，像差cc小于由对瞳孔182的完整照射产生的像差ac。另外，如图9B和图9C所示，由光束136和光束138形成的像差的类型是不同的，其中，例如，与光束136的像差bc相比，光束138可以具有由于反射光学装置122引起的减小的像差cc。

参照图10至图15，将描述根据各种实施方式的光学系统100和POD 112的示例光学架构和配置。每个实施方式中的POD 112包括照明系统300、投影光学器件302和SLM 304。这些实施方式中的选择性眼睛瞳孔照射或选择性EMB照射由照明系统300实现，POD 112将照明系统300用作2D扩展系统的LOE 114(图2A至图2C)或者1D扩展系统的LOE 214(图3)的图像生成器。投影光学器件302被配置成对来自SLM 304的像素的光束进行准直，使得每个像素生成准直光束，并且来自不同像素的准直光束沿不同方向传播。投影光学器件302还被配置成将来自像素中的每一个的准直光束注入到LOE 114或LOE 214中。例如，在一些实施方式中，投影光学器件302可以包括单个透镜，其中SLM 304位于透镜的焦平面中。在其他实施方式中，投影光学器件302可以包括一个或更多个附加的或替选的光学元件，光学元件包括例如透镜、反射镜、波片、分束器棱镜或其他光学元件。

图10和图11示出了根据实施方式的其中可以实现选择性眼睛瞳孔照射或选择性EMB照射的POD 112的示例配置。在该实施方式中，照明系统300包括位于诸如准直透镜的光学装置308的焦平面中的光源阵列306，例如LED或其他可选择性地激活的光源。尽管将光学装置308描述为准直透镜，但是可以使用更广范围的透镜类型和实现方式，包括但不限于球面、非球面或自由形式的由玻璃或塑料形成的折射透镜、衍射透镜、菲涅耳透镜、反射透镜以及上述的任何组合。

光源阵列306可以包括红光源、绿光源和蓝光源或被配置成生成红、绿、蓝或其他颜色的多色光源。光源被配置成以SLM 304的色序操作模式生成彩色图像。尽管在图10和图11中将阵列306示出为具有特定数目的光源，但是阵列306可以替选地包括任何其他数目的光源。例如，可以在阵列306中包括附加的光源以实现更平滑的EMB扫描。在一些实施方式中，可以在YZ平面中执行孔径扫描，如图10所示，而在XZ平面中可以照射POD 112的整个孔径，如图11所示。在一些实施方式中，照明系统300还可以包括可选的漫射器310，漫射器310扩展光束在XZ平面中的发散度，如图11所示。在其他实施方式中，可以在光源中的每一个光源中使用柱面透镜来代替漫射器310，以减小XY平面中的光束发散。

来自照明系统300的阵列306中的每个光源的输出光束是经由投影光学器件302提供给SLM 304的准直或几乎准直的照射。SLM 304处的准直光束的角度取决于阵列306中的哪个光源被激活，并且由光源生成的照射的发散度取决于光源的尺寸并且取决于可选的漫射器310的散射角范围。阵列306中的每个光源对应于POD 112的不同角度子孔径，其中，例如，可以通过打开和关闭阵列306中的相应光源来实现对照射在POD 112的角度子孔径之间进行切换。如图10所示，例如，光源312和光源314分别生成光束316和光束318，光束316和光束318在被光学装置308准直并且可选地被漫射器310散射之后被提供给SLM 304。如图10所示，光束316和光束318分别照射POD 112的FOV A与FOV B之间的视场(field of view，FOV)区域。

图12示出了使用以上针对图10和图11描述的POD 112的示例配置的光学系统100的示例实施方式。眼睛跟踪系统160被配置成测量眼睛180的瞳孔182相对于LOE 114的位置，并且被配置成将该测量的位置作为位置信息提供给控制器140。控制器140被配置成基于位置信息来确定阵列306中的光源，该光源可以被开启或以其他方式激活以照射将把图像投影到测量位置处的瞳孔182上或瞳孔182的子孔径上的孔径。在一些实施方式中，控制器140还被配置成计算或确定要施加到提供给SLM 304的图像的任何变形，以补偿由POD112和反射光学装置122或LOE 114的其他部件引起的图像的任何像差。

施加到提供给SLM 304的图像的变形可以例如取决于阵列306中的哪个光源被激活、瞳孔182的位置、EMB的哪个部分被照射，或者取决于任何其他标准。对于相同的FOV，图像在视网膜186上的位置可以是不同的，这例如取决于瞳孔182观察到哪个子孔径，例如如图7A至图8B所示。因为投影图像在视网膜上的位置对于每个子孔径是不同的，所以由控制器140施加到SLM 304处的图像的变形的类型和量可以取决于POD 112的哪个子孔径或相应的光源被激活。通过基于哪个子孔径或光源被激活并且在一些实施方式中根据图像将被投影到的视网膜186上的位置而向图像施加变形，可以使从每个子孔径或光源投影到视网膜186上的图像对准，使得用户看到相同或近似相同的图像，而不管哪个子孔径或光源被激活以提供图像。例如，可以由控制器140同步对SLM 304和光源阵列306的控制，以使得能够基于由眼睛跟踪系统160跟踪的瞳孔182的位置实现在光源之间的快速切换。通过使对SLM304和光源阵列306的控制同步，可以投影校正了像差的图像，而不管瞳孔182的位置的变化或由控制器140激活的光源的相应变化如何。

现在参照图13A至图13D，现在将描述用于基于阵列306的哪些光源被激活来确定将由SLM 304施加到光束的图像变形的示例过程。示例过程可以用于单个FOV点或用于FOV的小的局部区域。

参照图13D，现在将描述用于操作光学系统100的示例过程。可以至少部分地由控制器140、眼睛跟踪系统160和POD 112来执行该过程，或者可以至少部分地由光学系统100的其他部分来执行该过程。图13D的过程包括步骤500至步骤508。尽管将图13D的过程在本文中描述为具有特定步骤或步骤的特定顺序，但该过程可以替选地以任何顺序执行步骤，该过程可以包括附加的步骤，可以包括较少步骤或者可以仅执行下面在其他实施方式中描述的步骤的一部分。

在步骤500处，眼睛跟踪系统160定位瞳孔182在EMB 128内的位置，例如，如图13A所示。作为示例，眼睛跟踪系统160可以利用一个或更多个眼睛跟踪相机或其他光学元件来定位瞳孔182的位置。眼睛跟踪系统160向控制器140提供与所确定位置对应的位置信息，例如坐标或其他信息。

在步骤502处，控制器140确定阵列306中可以被激活以将图像投影到瞳孔182的一部分上的光源。例如，控制器140可以维护指示哪个光源对应于EMB 128的每个部分的EMB128的坐标图。控制器140可以至少部分地基于位置信息与坐标图之间的比较来选择要激活的光源，例如，通过确定瞳孔182相对于EMB 128的位置并且基于坐标图识别相应的光源。在一些实施方式中，控制器140被配置成针对来自光源阵列306的每个光源来识别将针对每个FOV点或小的FOV局部区域照射EMB 128的哪个区域。给定瞳孔182的位置和要投影的FOV点，控制器140可以识别要打开的光源。例如，如图13A所示，这样的光源生成光束142，光束142照射与瞳孔182相交的区域。在图13A中，坐标(x₀,z₀)对应于瞳孔182内的被照射区域的中心。

在步骤504处，控制器140至少部分地基于所选择的光源来确定将哪些变形施加到SLM 304处的图像。在一些实施方式中，例如在可以利用多个光源来照射相同的位置但是其中光束具有不同准直角度的情况下，还或替选地可以至少部分地基于位置信息来确定变形。

图13B和图13C示出了具有反射光学装置122的光学系统100的像差曲线，类似于图9A至图9C所示的曲线。图13A和13B中的像差曲线示出了与用户的视网膜186处的给定FOV点对应的光线的位置ex和ey，其取决于光线在出瞳(例如EMB 128)处沿x轴的位置。假定标称图像对应于穿过出瞳中心的光线，图13B和图13C中的距离dy和dx分别给出图像沿y轴和x轴的局部位移。可以将等于dx和dy的变形施加到通过由光束142与瞳孔182的相交部限定的子孔径投影的图像。

在一些实施方式中，控制器140可以例如使用查找表来确定要施加的变形，该查找表具有基于目标位置和要激活的光源的预定义变形值。例如，可以使用多种技术来生成查找表，这些技术包括例如使用反演方法以基于投影在眼睛180或眼睛的表示上的所得到的图像来调整变形，通过对像差和潜在变形进行模拟或建模，或采用任何其他方式。在一些实施方式中，对于RGB光源中的每一个，照射光束孔径可能略微不同。在这种情况下，控制器140还可以在对红色图像、绿色图像和蓝色图像施加变形时考虑这些差异，以校正孔径的这样的小差异并且校正投影光学器件的可能色度变形，例如横向色差(lateral color)。

在步骤506处，控制器140激活所选择的光源以输出图像。

在步骤508处，控制器140在将图像提供给LOE 114之前，向SLM 304提供所确定的要施加到图像的变形。然后，由LOE 114将图像投影到瞳孔182的一部分上，并且该过程返回至步骤500，并且针对图像的每一帧继续。以这种方式，考虑瞳孔182的位置的改变，激活相应的光源，并且施加适当的变形以生成具有尽可能少的变形的图像。

在一些实施方式中，控制器140被配置成顺序地激活阵列306中的每个光源以执行全EMB扫描，其中可以针对每个光源确定变形并且将变形施加到SLM 304处的图像。作为示例，在眼睛跟踪系统160不存在或不可用并且瞳孔182的位置未知的情况下，可以利用这样的顺序激活来将图像快速呈现到EMB 128的每个部分并且确保将至少一个变形校正图像投影到瞳孔182的位置上。

图14和图15示出了根据另一实施方式的其中可以实现选择性的眼睛瞳孔照射或选择性的EMB照射POD 112的示例配置。在该实施方式中，照明系统600代替POD 112中的照明系统300。照明系统600包括：与光源阵列306类似的光源阵列606、第一光学装置608、第一微透镜阵列(micro-lens array，MLA)610、第二微透镜阵列612和第二光学装置614。

第一光学装置608和第二光学装置614可以包括可以用于对图像的光束进行准直的透镜，例如菲涅耳透镜或衍射透镜。尽管上面将第一光学装置608和第二光学装置614描述为包括特定类型的透镜或光学部件，但是可以替选地使用更广范围的其他透镜类型或光学部件和实现方式，包括但不限于球面、非球面或自由形式的由玻璃或塑料形成的折射透镜、衍射透镜、菲涅耳透镜、反射透镜以及上述的任何组合。

第一MLA 610和第二MLA 612各自包括可以用作单个元件的透镜阵列。在一些实施方式中，第一MLA610和第二MLA 612的透镜可以包括折射透镜。在一些实施方式中，可以在第一MLA 610与第二MLA612之间插入挡板装置(未示出)以减少准直光学器件之间的串扰。尽管上面将第一MLA 610和第二MLA612描述为包括特定类型的透镜或光学部件，但是可以使用更广范围的其他透镜类型或光学部件和实现方式，包括但不限于球面、非球面或自由形式的由玻璃或塑料形成的折射透镜、衍射透镜、菲涅耳透镜、反射透镜以及上述的任何组合。

第一光学装置608和第一MLA610中的每个透镜一起被配置成在第二MLA 612的平面处创建光源阵列606的图像。第二MLA 612和第二光学装置614一起被配置成在SLM 304的平面处生成第一MLA 610的每个小透镜元件的图像。在示例配置中，光源阵列606位于光学装置608的焦平面中，第二MLA 612位于第一MLA 610的焦平面中，并且SLM 304位于光学装置614的焦平面中。通过以协调且定时的方式接通和断开阵列606中的光源来实现对EMB128的选择性照射，使得仅EMB 128的目标部分和瞳孔182的相应部分被照射。例如，如图14和图15所看到的，可以通过例如在不同时间选择性地激活光源620和光源622来生成图像的光束616和光束618。光束616和光束618行进通过第一光学装置608、通过第一MLA 610的一个或更多个透镜、通过第二MLA 612的一个或更多个透镜、以及通过第二光学装置614，并且经由投影光学器件302从照明系统600作为准直光束输出至SLM 304的FOV A和FOV B。然后，SLM 304向光束616和光束618的图像施加变形，并且将光束616和光束618输出至LOE 114，以便以与上面针对图13的过程描述的方式类似的方式投影到瞳孔182。

参照图16A和图16B，现在将分别描述根据一些实施方式的图像投影组件710的YZ平面和XZ平面中的示意图。图像投影组件710可以包括与上面针对图像投影组件110描述的部件类似的部件，其中这样的部件具有类似的附图标记。例如，图像投影组件710包括POD712和LOE 714。LOE 714包括主外表面716和主外表面718、包括例如小平面724的耦出装置720、以及与LOE 114的部件类似的反射光学装置722。

图像投影组件710还包括位于POD 712与LOE 714之间的楔750。楔750被配置成减少图9A至图9C所示的柱面镜的像差。光束726经由楔750从POD 712耦合至LOE 714中，并且波导孔径光阑位于楔750之后。在一些实施方式中，楔750的表面752和754可以可选地具有一维或二维的光焦度，以补偿POD 712的光学像差并且改善图像质量。LOE 714还包括平行于主外表面716和主外表面718的混合器756，例如半反射平面。在一些场景中，例如，POD712的输出光束726可能没有完全填充LOE 714。使用混合器756将光束726分布在LOE 714的整个孔径上。在一些实施方式中，混合器756可以位于LOE 714内在楔750与耦出装置720之间，例如，如图16A所示。在其他实施方式中，混合器756可以位于LOE 714内在耦出装置720与反射光学装置722之间。反射光学装置722还可以包括设置在耦出装置720与反射光学装置722之间的波片723，例如四分之一波片。在混合器756位于耦出装置720与反射光学装置722之间的实施方式中，光束在被耦出装置720从LOE 714引导向EMB或瞳孔之前将穿过混合器756两次。在这样的情况下，与混合器756位于楔750与耦出装置720之间的实施方式相比，混合器756可以沿z方向具有较短的长度。

图像投影组件710还可以包括设置在LOE 714与楔750之间的偏振器725。在一些实施方式中，耦出装置720包括诸如小平面724的表面，表面对于一个偏振(例如，偏振(s))是部分反射的，但对于正交偏振(例如，偏振(p))基本上是透明的。如果从POD 712输出的输入光束726是p偏振的，则输入光束726将朝向反射光学装置722传播而不被耦出装置720耦出。在从反射光学装置722反射并且穿过波片723之后，光变成s偏振的并且当从反射光学装置722往回朝向POD 712传播时，通过耦出装置720从LOE 714耦出。偏振器725被配置成阻止往回传播的光束进入POD 712。

在一些实施方式中，LOE 714还可以包括设置在LOE 714的主外表面716和主外表面718上的可选盖板727。盖板727使耦出装置720在与波导主表面成法向的方向上的厚度小于LOE 714的总厚度。LOE 714还可以包括平行于LOE 714的主外表面716和718设置的可选偏振器(未示出)，偏振器被配置成抑制p偏振光的通过。例如，这样的可选偏振器(未示出)可以设置在LOE 714的前面，例如设置在图16A中的LOE 714的左侧，该偏振器被配置成抑制由耦出装置720从LOE 714耦出到外界的光束。另一可选的偏振器(未示出)可以设置在LOE714的后面，例如设置在图16A中的LOE 714的右侧，该偏振器被配置成抑制由耦出装置720耦出并且由左主外表面716朝向用户反射的光束。

POD 712的照明系统800在图16A中示意性地示出，并且在图16B中更详细地示出。照明系统800包括光源阵列802、设置在棱镜装置804与棱镜装置806之间的偏振分束器、四分之一波片808和准直光学装置810(例如反射透镜或反射镜)。由阵列802中的光源发射的光束在从光学装置810反射之后变得准直，并且被注入LOE 812(例如，波导)中，LOE 812具有用于朝向POD 712的棱镜816提取光的一组半反射小平面814和两个平行的主要平面表面。POD 712还可以包括在LOE 812与POD 712的棱镜816之间的可选漫射器818。照明系统800还可以包括在棱镜804和棱镜806与LOE 812之间的可选漫射器(未示出)。从棱镜804和棱镜806耦出到LOE 812的光束借助于全内反射传播通过LOE 812，并且通过小平面814从LOE 812朝向POD 712的可选漫射器818和棱镜816耦出。光束在照明系统800中传播的示例路径如图16B中的箭头所示。

如图16A所示，从照明系统800接收的光束进入棱镜816并且被重定向到SLM 820。偏振分束器822可以设置在POD 712的棱镜816与另一棱镜824之间。SLM 820可以类似于SLM304，并且被配置成由控制器140控制。在该实施方式中，可以将SLM 820实现为以上参照SLM304描述的反射SLM或发光SLM。

照明光束由SLM 820例如以与上面针对SLM 304描述的方式类似的方式进行调制，并且穿过偏振分束器822和棱镜824被朝向POD 712的反射光学装置826进行引导。然后，由反射光学装置826反射的光束被棱镜824朝向楔750进行引导。

图16C示出了根据另一实施方式的可以与POD 712和LOE 714一起使用的照明系统900。在该实施方式中，照明系统900代替图16B的照明系统800。照明系统900包括光源阵列902以及包括光学元件904的成像系统。光学元件904可以包括折射透镜、菲涅耳透镜、衍射或相位透镜，例如Pancharatnam-Berry透镜，或任何组合的任何其他类型的透镜。由阵列902中的源发射的光束在穿过光学元件904之后被准直，并且通过棱镜908注入到LOE 906中。光借助于全内反射在LOE 906中传播，并且被半反射小平面910引导到POD 712的棱镜816中。由图16C中的箭头示出照明系统900中的光传播路径。类似于照明系统800，例如在LOE 906与棱镜816之间以及在光学元件904与棱镜908之间还可以包括可选的漫射器(未示出)。

图17和图18A至图18C示出了其中SLM 304(图10)的两个像素将来自照明系统300(图10)的光束反射成两个光束1000和光束1002的图像投影组件110的实施方式。光束1000和光束1002对应于FOV中的两个不同点、分别对应于FOV A和FOV B，但也对应于由主动照明系统光源限定的POD 112的相同角度子孔径。光束1000和光束1002由耦出装置120的小平面124扩展并且投影到EMB 128上。

图18A至图18C示出了其中将不同FOV的光束1000和光束1002投影到EMB 128和眼睛180(图6B)的瞳孔182(图6B)上的示例场景。在图18A至图18C中，将光束1000和光束1002示出为虚线，将瞳孔182的位置示出为圆圈。

参照图18A，描述了其中示出了瞳孔的两个可能位置1004和位置1006的示例场景。在位置1004，光束1000和光束1002二者照射瞳孔，向用户显示FOV A和FOV B。在位置1006，仅光束1000照射瞳孔，仅向用户显示FOV A。图18A的示例场景示出了可以照射POD 112的不同子孔径以使特定FOV对瞳孔可见。例如，为了使FOV B对位置1006的瞳孔可见，可以照射POD 112的不同子孔径。

参照图18B，描述了其中示出了EMB 128处的光束1008(FOV A)和光束1010(FOV B)的投影的另一示例场景，光束1008(FOV A)和光束1010(FOV B)与POD 112的被照射的不同子孔径对应。在该示例场景中，示出了瞳孔的相同的两个可能位置1004和1006。在位置1004，光束1008和光束1010二者照射瞳孔，向用户显示FOV A和FOV B二者，尽管光束1008仅部分地照射位置1004处的瞳孔182。在位置1006，仅光束1010照射瞳孔，向用户显示FOV B。为了使FOV B对位置1006的瞳孔是可见的，可以照射POD 112的不同子孔径。

在图18A和图18B二者的示例场景中，当瞳孔处于位置1006时，不能看到FOV A或FOV B。在一些实施方式中，控制器140(图1)被配置成通过以确保当瞳孔位于EMB 128上的特定位置时整组FOV将对用户的眼睛可见的方式顺序地打开和关闭阵列306中的一个或更多个光源来解决该问题。

参照图18C，描述了其中示出了EMB 128处的光束1012(FOV A)和光束1014(FOV B)的投影的另一示例场景，光束1012(FOV A)和光束1014(FOV B)与被照射的POD 112的不同子孔径对应。在该示例场景中，示出了瞳孔的相同的两个可能位置1004和1006。在位置1004，光束1012和光束1014二者照射瞳孔，向用户显示FOV A和FOV B二者。在位置1006，整个光束1014照射瞳孔，向用户显示FOV B，但仅部分光束1012照射瞳孔。这样的部分照射可能导致由于例如瞳孔边缘处的衍射而引起的FOV A的图像的退化。在一些实施方式中，控制器140可以被配置成在瞳孔处于位置1006的同时照射POD 112的该特定子孔径时命令SLM304投影FOV B而不投影FOV A，以抑制FOV A的退化图像的投影。替代地，可以通过顺序激活POD 112的另一子孔径或光源来将FOV A投影在相同位置1006。

参照图19A至图19C，现在将描述根据另一实施方式的照明系统1100。照明系统1100例如可以代替如图10所示的POD 112的照明系统300，代替如图14所示的POD112的照明系统600，代替如图16A和图16B所示的POD 712的照明系统800，代替如图16C所示的POD 712的照明系统900，或者可以与任何其他POD一起使用。照明系统1100可以包括与在照明系统300、照明系统600、照明系统800和照明系统900中的任何一个中找到的部件类似的部件。

在图19A中，对应于POD 712的附图标记将与对照明系统1100的描述一起使用。例如，如以上提及的，POD 712包括棱镜816和棱镜824、SLM 820、偏振分束器822、反射光学装置826和可选的漫射器828，所有这些都可以在从照明系统1100接收光束之后如上面参照图16A和图16B所述的那样起作用。

如图19A至图19C所示，照明系统1100包括MLA 1102和光源矩阵1104，例如微LED显示器或其他光源装置。将从照明系统1100输出的光束提供给棱镜816。如图19B所示，MLA1102中的每个微透镜对来自其相应光源的光进行准直。准直照射的方向或角度可以根据矩阵1104中的哪些源被激活而随微透镜不同而镜变化。例如，当光源1106被激活时，光束1108被微透镜1110准直，并且以第一方向或角度输出，而当光源1112被激活时，光束1114被同一微透镜1110准直，但以第二方向或角度输出，第二方向或角度不同于第一方向或角度。MLA 1102和光源矩阵1104的配置使得控制器140能够针对SLM 820的不同区域呈现不同的照射角度。在另一实施方式中，可以使用微镜阵列(未示出)来代替MLA 1102。

现在参照图20至图29，公开了其中可以将上述光学系统100的各种实施方式配置用于投影时分复用光场图像的实施方式。

参照图20和图21，现在将分别描述当晶状体184聚焦在无限远或有限距离处时眼睛180的功能。

如图20所看到的，眼睛180的晶状体184聚焦在无限远，并且瞳孔182由两个光束(光束1200和光束1202)照射，这两个光束分别在视网膜186处产生图像P₁和P₂。图21示出了聚焦在有限距离而不是无限远的眼睛180的晶状体184，其中晶状体184具有较短的焦距。由于图21中晶状体184的较短焦距，图像P₁和P₂会聚成单个图像。当图像P₁和P₂通过小的子孔径投影到瞳孔182上时，当眼睛180的晶状体184的焦距改变时，图像P₁和图像P₂的模糊较小。

图22和图23示出了图像投影组件110和图像投影组件210的实施方式，图像投影组件110和图像投影组件210将与FOV中的不同点和POD 112和POD 212的不同角度子孔径对应的光束1300和1302投影到EMB 128上，从而照射如图20和图21所示的瞳孔182的不同区域。尽管图像投影组件110和图像投影组件210被示出为具有特定的部件，但是图像投影组件110和图像投影组件210中的每一个都可以包括LOE、POD、照明系统的任何部件或者在本文中描述的各种实施方式中发现的光学系统100的其他部分。

现在参照图24，在一些实施方式中，控制器140被配置成将单个图像的投影分成多个帧(例如帧1、帧2……帧n)，并且被配置成依次将每个帧投影到用户的眼睛180。该实施方式中的控制器140被配置成移动图像1300₁、1300₂……1300_n在每个相继帧1、2……n中的位置，使得相继帧1至帧n的图像1300₁、1300₂……1300_n中的对象相对于前一帧稍微移位，如图24所示。控制器140被配置成高速连续地一次一个地投影帧，并且在一些实施方式中，可以通过激活阵列306中的不同光源，使用POD 112的不同的子孔径来投影一个或更多个移位的帧。如图24中所看到的，例如，帧n的图像1300_n相对于帧1的图像1300₁移位距离e。以这种方式，控制器140可以使用图像的帧的时分复用投影来模拟一维光场。

在一些情况下，上述时分复用光场投影仅在一维中创建，例如沿着图22中的轴X。沿着轴Z，图像的光束是宽的，并且由于小平面124的瞳孔扩展而照射眼睛在Z方向上的整个孔径。因此，仅当眼睛聚焦在无限远时，Z方向上的图像是清晰的，并且当眼睛的调节改变成有限焦距时，图像在Z方向上变得模糊。

参照图25A至图25C，示出了其中可以克服诸如上述的时分复用光场投影在Z方向上的模糊的图像投影组件210的实施方式。例如，可以限制光束1400在Z方向上的孔径，例如，通过动态地增加或减少小平面224中的一些的反射率和强度中的至少一个，例如，动态地使小平面更具反射性或更具透明性。作为示例，在图25A至图25C所示的实施方式中，LOE214的小平面224的反射率和强度中的一个或两个被配置成被动态地调整。尽管参照图像投影组件210进行了描述，但是在其他实施方式中，可以替选地使用图像投影组件110。

尽管由于照明系统(例如，照明系统300、照明系统600、照明系统800和照明系统900中的任何一个或本文所述的其他部件)而限制了X维度上的光束1400的尺寸，但在Z方向上，光束1400通过来自小平面1402、小平面1404、小平面1406和小平面1408的反射来照射整个EMB 128，如图25B所示。在图25B所示的示例中，来自小平面1404和小平面1406的反射照射EMB 128中的特定位置处的瞳孔182，而来自其他小平面(例如小平面1402、小平面1408及其他)的反射不照射EMB 128中的特定位置处的瞳孔182。如图25C所示，如果小平面1406变成透明的(非反射的)，则在Z方向上仅瞳孔182的一部分被照射。通过动态地调整每个小平面的反射率和强度中的一个或两个，对于瞳孔182的任何位置以及眼睛180的晶状体184的任何调节，视网膜186上的点的图像可以在Z方向上变得清晰。

现在参照图26，示出了根据一些实施方式的用于控制小平面1502的反射率和强度中的一个或两个的动态小平面结构1500。小平面1502可以是对于p偏振是高度透射的，并且对于s偏振是部分反射的。动态小平面结构1500包括设置在第一液晶层1504与第二液晶层1506之间的小平面1502。在一些实施方式中，液晶层1504和液晶层1506是平行的，并且可以平行于小平面1502。液晶层1504和液晶层1506中的每一个中的液晶的状态由施加到该层的电压控制，例如由控制器140(图1)控制。在“接通”状态下，每个液晶层1504和液晶层1506的液晶作为将光束1400的偏振旋转90度的半波片工作。在“关闭”状态，光束1400的偏振状态在穿过液晶的层之后不改变。

在该实施方式中，如以上提及的，在LOE 214中传播的光束1400是s偏振的，并且小平面1502对于p偏振是高度透射的并且对于s偏振是部分反射的。在其他实施方式中，在LOE214中传播的光束1400可以是p偏振的，并且小平面1502可以是对于s偏振是高度透射的并且对于p偏振是部分反射的。

当液晶层1504和液晶层1506处于“关闭”状态时，光束1400遇到小平面1502时的偏振是s偏振，并且小平面1502对于光束1400是部分反射的，例如，如图25C中的小平面1404所示。当液晶层1504和液晶层1506处于“接通”状态时，光束偏振在小平面1502处为p偏振，并且小平面1502对于光束1400是透明的，例如，如图25C中的小平面1406所示。

注意，因为在小平面1502的任一侧上设置有液晶层，例如设置在小平面1502的一侧上的液晶层1504以及设置在小平面1502的另一侧上的液晶层1506，所以当处于“接通”状态时，光束1400的偏振将在穿过液晶层1504之后从遇到动态小平面结构1500之前的s偏振改变为p偏振。光束1400将在具有p偏振的同时遇到小平面1502，并且由于小平面1502在p偏振处的高透射率而穿过。然后，光束1400将在小平面1502的另一侧遇到液晶层1506，并且从p偏振变回s偏振。然后，光束1400离开动态小平面结构1500，同时具有s偏振。以这种方式，每个动态小平面结构1500可以由控制器140(图1)独立地控制，以反射或透射光束1400，而不影响光束1400针对其他小平面中的任何一个的偏振。

在另一实施方式中，可以替选地使用电可切换的布拉格反射器来动态地控制小平面224的反射率和强度中的一个或两个。例如，在一些实施方式中，耦出装置220的小平面224中的每一个可以包括电可切换的布拉格反射器，布拉格反射器的反射率、强度或二者可以由控制器140电控制。

现在参照图27A和图27B，现在将描述根据一些实施方式的图像投影组件1610。图像投影组件包括POD 1612，POD 1612可以包括与POD 112、POD 212或本文公开的任何其他POD类似的部件和功能。图像投影组件包括LOE 1614，LOE 1614可以包括至少一些与LOE114、LOE 214或本文公开的任何其他LOE类似的部件和功能，除了下面更详细地描述的。POD1612被配置成将光束1626输出至LOE 1614，该光束被耦出装置1620引导至EMB 128和瞳孔182。

在图27A和图27B的实施方式中，耦出装置1620包括设置在LOE 1614的主外表面1616或主外表面1618之一上的可切换布拉格反射器(switchable Bragg reflector，SBR)1624，例如，如图27A和图27B所示。例如，在一些实施方式中，SBR 1624可以集成到主外表面1616中。当处于“接通”状态时，SBR 1624被配置成将光束1626朝向EMB 128中的瞳孔182的位置反射。当处于“关闭”状态时，SBR 1624提供全内反射，使得光束1626在波导内传播。在一些实施方式中，将SBR 1624分成多个可选择性地激活的区域，例如包括可以由控制器140独立地控制的区域1628。通过“接通”SBR 1624的选定区域，可以照射瞳孔182的目标部分，例如，如关于图27B中的选定区域1628所示。在另一实施方式中，可以替选地使用透射式可切换光栅来代替SBR 1624。

参照图28，现在将描述其中控制器140还被配置成控制动态小平面结构1500或SBR1624的具有2D光场投影的光学系统100的实施方式。例如，眼睛跟踪系统160确定瞳孔182相对于LOE 114的位置，并且将该位置作为位置信息提供给控制器140。控制器140使用位置信息来确定阵列306中的可以被激活以将图像投影到所确定的位置处的瞳孔182上的一个或多个光源，并且控制器140确定要由SLM 304施加到图像的变形，以补偿如上所述由于图2A至图2C的2D扩展系统中的POD 112和反射光学装置122或图3的1D扩展系统中的POD 212的像差而引起的视网膜186上的图像移动。

在该实施方式中，控制器140还被配置成由于眼睛180的晶状体184的调节的改变而确定选择LOE 114中的小平面124中的哪个小平面来将其设置为“接通”状态(半反射)和“关闭”状态(透射)，以增强Z方向上的图像清晰度，例如如上所述。例如，为了投影位于无限远处的对象的图像，只需要投影单个图像。然而，为了投影位于有限距离处的对象的图像，需要投影多个图像，例如，如上面参照图20至图24说明的。

在一个示例场景中，投影位于距用户有限距离处的对象的图像。对于瞳孔182的给定位置，通过瞳孔182的不同子孔径投影多个图像(例如，2个图像、3个图像……100个图像或更多个图像)。针对每个子孔径投影，对图像进行两次变形。第一变形被配置成补偿由像差(例如图13A至图13C中所示的像差)引起的变形。第二变形被配置成移动图像以创建光场，例如，如图20和图21所示

参照图29，现在将描述用于操作图28的光学系统100的示例过程，该过程包括对可选择性地激活的小平面124的控制。可以至少部分地由控制器140、眼睛跟踪系统160、POD112和LOE 114来执行该过程，或者可以至少部分地由光学系统100的其他部分来执行该过程。

图29的过程包括步骤1700至步骤1712。尽管在本文中将图29的过程描述为具有特定步骤或步骤的特定顺序，但在其他实施方式中过程可以替选地以任何顺序执行步骤，可以包括附加的步骤，可以包括较少步骤或可以仅执行下面描述的步骤的一部分。

在步骤1700处，眼睛跟踪系统160例如使用一个或更多个眼睛跟踪相机或其他光学元件确定瞳孔182的位置，并且向控制器140提供与所确定的位置对应的位置信息，例如坐标或其他信息。

在步骤1702处，控制器140确定阵列306中可以被激活以将图像投影到瞳孔182的一部分上的光源。例如，控制器140可以维护指示哪个光源与EMB 128的每个部分对应的EMB128的坐标图。控制器140可以至少部分地基于位置信息与坐标图之间的比较——例如，通过确定瞳孔182相对于EMB 128的位置并且基于坐标图识别相应的光源——来选择要激活的光源。

在步骤1704处，控制器140确定需要将小平面124中的哪一个小平面设置为“接通”状态以及需要将小平面124中的哪一个小平面设置为“关闭”状态，例如，如上所述。

在步骤1706处，控制器140至少部分地基于所识别的要激活的光源来确定将哪些变形施加到SLM 304处的图像。在一些实施方式中，例如在可以利用多个光源来照射相同的位置但是其中光束具有不同准直角度的情况下，也或替选地可以至少部分地基于位置信息来确定变形。在一些实施方式中，控制器140可以以与以上针对图13的步骤504描述的方式类似的方式或以任何其他方式确定要施加的变形。

在步骤1708处，控制器140将适当的控制信号施加到小平面124，以将小平面124设置为所确定的“接通”或“关闭”状态。

在步骤1710处，控制器140激活所识别的光源以输出图像。

在步骤1712处，控制器140在将图像提供给LOE 114之前，向SLM 304提供要施加到图像的所确定的变形。然后，通过LOE 114的被设置为“接通”状态的小平面124将图像投影到瞳孔182的一部分上，并且该过程返回到步骤1700，并且针对图像的每一帧继续。以这种方式，考虑了瞳孔182的位置的变化，减轻了眼睛180的调节的变化对图像清晰度的影响，激活了相应的光源，并且施加了适当的变形以生成具有尽可能少变形的图像。

本文中使用的术语仅出于描述特定实施方式的目的，并且并不旨在限制本发明。如本文中所使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还将理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，其指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。

所附权利要求中的所有装置或步骤加功能元件(如果有的话)的相应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于与具体要求保护的其他要求保护的元件结合执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的所公开的实施方式，但是这并不旨在是穷尽的或者限于所公开的形式的发明。在不背离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是明显的。选择和描述这些实施方式是为了最好地说明本发明的原理和实际应用，并且使得本领域的其他普通技术人员能够理解本发明的具有适合于所考虑的特定用途的各种修改的各种实施方式。

Claims

1.一种装置，包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置成：

至少部分地基于眼睛的瞳孔相对于眼动箱的位置从多个光源中选择光源，所选择的光源被配置成利用光束照射所述眼动箱的与所述瞳孔的位置对应的部分；以及

激活所选择的光源以照射所述眼动箱的所述部分。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所选择的光源被配置成利用所述光束照射所述眼动箱的仅与所述瞳孔的一部分对应的部分。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个处理器被配置成：

至少部分地基于所选择的光源来确定要施加到所述光束的变形；以及

至少部分地基于所确定的变形引起对所述光束的修改。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，至少部分地基于所选择的光源来确定要施加到所述光束的变形包括：针对由准直器引起的像差来确定对所述光束的校正。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，至少部分地基于所确定的变形来引起对所述光束的修改包括：使空间光调制器至少部分地基于所确定的变形来修改所述光束。

6.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述光束至少部分地基于耦出装置的多个元件来照射所述眼动箱的所述部分，所述元件中的每一个元件的反射率和强度中的至少一个能够在至少两个状态之间被选择性地调整；以及

所述至少一个处理器还被配置成：

至少部分地基于所选择的光源来确定所述多个元件中的给定元件的目标状态；以及

使得将所述给定元件设置为所述目标状态。

7.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述光源为第一光源；以及

所述至少一个处理器被配置成选择所述多个光源中的第二光源，所述第二光源被配置成照射所述眼动箱的所述部分。

8.一种方法，包括：

激活所选择的光源以照射所述眼动箱的所述部分。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所选择的光源被配置成利用所述光束照射所述眼动箱的仅与所述瞳孔的一部分对应的所述部分。

10.根据权利要求8所述的方法，还包括：

至少部分地基于所确定的变形来引起对所述光束的修改。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，至少部分地基于所选择的光源来确定要施加到所述光束的变形包括：针对由准直器引起的像差确定对所述光束的校正。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，至少部分地基于所确定的变形来引起对所述光束的修改包括：使空间光调制器至少部分地基于所确定的变形来修改所述光束。

13.根据权利要求8所述的方法，其中：

所述方法还包括：

使得将所述给定元件设置为所述目标状态。

14.根据权利要求8所述的方法，其中：

所述光源为第一光源；以及

所述方法还包括选择所述多个光源中的第二光源，所述第二光源被配置成照射所述眼动箱的所述部分。

15.一种光学系统，包括：

多个光源；

光导光学元件，其包括耦出装置，所述耦出装置被配置成将从所述多个光源接收的光束朝向所述光学系统的眼动箱进行引导；以及

控制器，其被配置成：

至少部分地基于眼睛的瞳孔相对于所述眼动箱的位置来从所述多个光源中选择光源，所选择的光源被配置成发射光束，所述光束在由所述耦出装置引导时照射所述眼动箱的与所述瞳孔的位置对应的部分；以及

激活所选择的光源以照射所述眼动箱的所述部分。

16.根据权利要求15所述的光学系统，还包括眼动跟踪系统，所述眼动跟踪系统被配置成确定所述瞳孔的位置，其中，所述控制器被配置成确定所述眼动箱的与由所述眼动跟踪系统确定的所述瞳孔的位置对应的所述部分。

17.根据权利要求15所述的光学系统，还包括设置在所述多个光源与所述光导光学元件之间的空间光调制器，其中：

所述控制器被配置成至少部分地基于所选择的光源来确定要施加到所述光束的变形；以及

所述空间光调制器被配置成至少部分地基于所确定的变形来修改所述光束。

18.根据权利要求17所述的光学系统，还包括光学装置，所述光学装置被配置成将来自所选择的光源的光束朝向所述空间光调制器进行引导，所述光学装置包括：

第一透镜；

第二透镜；

第一微透镜阵列，其设置在所述第一透镜与所述第二透镜之间；以及

第二微透镜阵列，其设置在所述第一微透镜阵列与所述第二透镜之间。

19.根据权利要求18所述的光学系统，其中，所述多个光源位于所述第一透镜的焦平面中，所述第二微透镜阵列位于所述第一微透镜阵列的焦平面中，并且所述空间光调制器位于所述第二透镜的焦平面中。

20.根据权利要求15所述的光学系统，其中，所述耦出装置包括多个元件，所述控制器被配置成将所述元件中的每一个元件的反射率和强度中的至少一个在至少两个状态之间选择性地进行调整。