CN117693788A - 图像投影设备及视网膜投影方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种可以容易地放大动眼框的图像投影设备。根据本发明一个方面的图像投影设备包括光源和光学系统。光源被配置为能够投射光。光学系统可以传输来自外界的外部光。光学系统可以反射来自光源的光。光学系统将光聚集在用户眼球的瞳孔附近，以将根据来自光源的光创建的图像投射到眼球的视网膜上。

Description

图像投影设备及视网膜投影方法
技术领域
本发明涉及一种图像投影设备和视网膜投影方法。
背景技术
使用视网膜投影方法的图像投影设备已知为用于实现AR(增强现实)的图像投影设备(例如，参见专利文献1)。在使用视网膜投影方法的图像投影设备中，光学系统可以传输来自外界的光。与此同时，光学系统可以反射来自光源的光，并将光聚集在用户眼球的瞳孔附近，以将根据来自光源的光创建的图像投射到眼球的视网膜上。作为结果，用户可以容易地在视觉上识别清晰的AR图像。
发明内容
【本发明要解决的问题】
然而，因为使用视网膜投影方法的图像投影设备将来自光源的光聚集在用户眼球的瞳孔附近，所以当用户移动眼球时，存在用户看不到AR图像的可能性。换言之，用户眼球内可以视觉上识别AR图像的范围(动眼框(eye-box))可能是狭窄的。
本发明是针对上述问题而提出的，本发明的目的是提供一种可以容易地放大动眼框的图像投影设备。
【解决问题的方法】
为了解决上述问题并实现所述目的，根据本发明一个方面的图像投影设备包括光源和光学系统。光源被配置为能够投射光。光学系统被配置为能够传输来自外界的外部光。光学系统被配置为能够反射来自光源的光。光学系统将光聚集在用户眼球的瞳孔附近，以将根据来自光源的光创建的图像投射到眼球的视网膜上。
【本发明的效果】
根据本发明的一个方面，可以容易地放大动眼框。
附图说明
图1是示出根据实施例的图像投影设备的示意性配置的示意图。
图2是示出根据实施例的光学元件组的配置的示意图。
图3是示出根据实施例的光学元件的特性的示意图。
图4是示出根据实施例的多个光学元件的布置的示意图。
图5是示出根据实施例的多个光学元件的操作的示意图。
图6是示出根据实施例的多个光学元件的操作的示意图。
图7是示出根据实施例的多个光学元件的操作的示意图。
图8是示出根据实施例的第一修改示例的光学元件组的配置的示意图。
图9是示出根据实施例的第二修改示例的光学元件组的配置的示意图。
图10是示出根据实施例的第三修改示例的光学元件组的配置的示意图。
图11是示出根据实施例的第四修改示例的光学元件组的配置的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述图像投影设备的实施例。
实施例
根据本实施例的图像投影设备是用于实现AR(增强现实)的诸如AR眼镜的图像投影设备。图像投影设备使得佩戴该图像投影设备的用户能够在视觉上识别通过将AR图像叠加在外界的真实图像上而获得的图像。已知使用视网膜投影方法的图像投影设备作为用于实现AR的图像投影设备。在图像投影设备中，光学系统可以传输来自外界的光。与此同时，光学系统可以反射来自光源的光，并将光聚集在用户眼球的瞳孔附近，以将根据来自光源的光创建的图像投射到眼球的视网膜上。作为结果，用户可以容易地在视觉上识别清晰的AR图像。此外，因为使用视网膜投影方法的图像投影设备可以将根据来自光源的光创建的图像投影到眼球的视网膜上，所以可以抑制光学系统中的反射次数并容易地确保图像的亮度。作为结果，用户可以容易地在户外视觉上识别清晰的AR图像。
然而，因为使用视网膜投影方法的图像投影设备将来自光源的光聚集在用户眼球的瞳孔附近，所以当用户移动眼球时，存在用户看不到AR图像的可能性。换言之，在用户眼球上可以视觉上识别AR图像的范围(动眼框)可能是狭窄的。
相反，在使用视网膜投影方法的图像投影设备中，可以考虑检测用户眼球中瞳孔位置的移动并根据检测到的移动改变入射到用户眼球上的光的入射角以放大动眼框的技术(第一技术)。第一技术是在作为用户眼球的白色部分的位置处照射检测光并测量反射光的强度以检测眼球中瞳孔位置的移动，然后通过使用致动器在与瞳孔位置的移动方向相反的方向上来移动用于AR图像的光源以改变入射到用户眼球上的光的入射角的技术。因为除了用于AR图像的光源和用于AR图像的光学系统之外，还提供用于检测光的光源、用于检测光的光学系统、检测光测量仪器、用于光源的致动器等，所以第一技术容易导致硬件配置复杂化。此外，由于计算眼球位置的移动并且控制光学系统以抵消所计算的移动的影响，第一技术容易导致软件配置复杂化。换言之，由于硬件和软件配置的复杂性，第一技术很容易增加成本。
此外，因为第一技术根据瞳孔位置的移动改变入射到用户眼球上的光的入射角，所以当被用户观察时，AR图像根据眼球的移动在真实图像上移动。为此，真实图像中的预定观察目标可能与AR图像重叠，并且难以被用户在视觉上识别。换言之，第一技术在实现AR时很容易损害便利性。
因此，在本实施例中，使用视网膜投影方法的图像投影设备包括用于反射来自光源的光的多路复用光学元件，这可以在抑制硬件和软件配置的复杂性的同时使得放大动眼框成为可能。
具体地，图像投影设备的光学系统包括多个光学元件。多个光学元件在第一方向上彼此分开放置。第一方向是沿着传输光线的光轴的方向。多个光学元件位于在第一方向上彼此偏移的位置，以便与传输光线的光轴相交。多个光学元件将来自光源的光聚集在多个聚光点。多个聚光点位于在第二方向上彼此偏移的位置。第二方向是与传输光线的光轴相交的方向。多个聚光点中的一个可以位于传输光线的光轴附近。可以调整多个光学元件的光学特性，使得多个聚光点位于第一平面附近。第一平面是穿过瞳孔并与传输光线的光轴垂直的平面。例如，当用户佩戴图像投影设备时，图像投影设备可以具有这样的配置：当用户眼球的瞳孔位于前方位置时，一个聚光点位于瞳孔附近；并且当用户眼球的瞳孔从前方位置移动到预定侧时，另一个聚光点位于瞳孔附近。换言之，通过采用用于反射来自光源的光的多路复用光学元件，即使用户眼球的瞳孔移动，来自光源的光也可以聚集在瞳孔附近。作为结果，可以在抑制图像投影设备的硬件和软件配置的复杂性的同时扩大动眼框。此外，通过适当地设计光学元件的光学特性以将光聚集在穿过瞳孔的第一平面附近，即使瞳孔位置移动，入射到用户眼球上的光的入射角也可以基本相等。作为结果，即使用户在观察时眼球移动，AR图像在真实图像上的移动也可以被抑制，因此可以提高实现AR时的便利性。
更具体地，可以如图1所示配置图像投影设备1。图1是示出图像投影设备1的示意性配置的示意图。
图像投影设备1包括控制器10、光源20和光学系统30。光学系统30可以传输来自外界的光。在图1中，传输光线的光轴PA用点划线表示。在图1中，沿着光轴PA的方向被设置为X方向，并且在垂直于X方向的平面中彼此正交的两个方向被设置为Y方向和Z方向。光学系统30包括透镜31、反射镜32、反射镜33、扫描驱动单元34和光学元件组35。
控制器10与光源20和扫描驱动单元34连接以进行通信，并且可以控制光源20和扫描驱动单元34。
光源20产生经由光学系统30投射到用户的眼球100的视网膜101上的光。光源20产生具有方向性的光。光源20包括激光振荡器(例如激光二极管)以产生单色激光束。例如，光源20可以产生红色激光束，可以产生绿色激光束，或者可以产生蓝色激光束。光源20发射所产生的激光束。
光学系统30可以传输来自外界的光，还可以反射来自光源20的光，并且将光聚集在用户的眼球100的瞳孔103(参见图2)附近，以将根据来自光源20的光创建的图像投射到眼球100的视网膜101上。作为结果，用户可以在视觉上识别通过将AR图像叠加在外界的真实图像上而获得的图像。
在光学系统30中，透镜31、反射镜32、反射镜33和光学元件组35沿着来自光源20的光的光轴并在光轴上依次布置。透镜31例如是准直透镜。来自光源20的光通过透镜31调节成准直光，被反射镜32反射，并被引导到反射镜33。反射镜33可以由扫描驱动单元34在围绕Z轴和Y轴的旋转方向上可旋转地驱动。反射镜33例如是微机电系统(micro-electromechanical system，MEMS)反射镜。控制器10通过扫描驱动单元34控制反射镜33的角度，以在Y方向和Z方向上扫描光(由反射镜33反射并被引导到光学元件组35)，如图1中点划线箭头所示。当对Y方向进行描述时，光学元件组35包括光学元件(第一光学元件)HOE_A、光学元件(第二光学元件)HOE_B和光学元件(第三光学元件)HOE_C。控制器10以图1中实线所示的角度控制反射镜33，将光照射到光学元件HOE_A、HOE_B和HOE_C中点划线箭头的正Y侧端部。控制器10还以图1中虚线所示的角度控制反射镜33，将光照射到光学元件HOE_A、HOE_B和HOE_C中点划线箭头的负Y侧端部。作为结果，来自光源20的光在光学元件组35中被扫描时可以被光学元件组35反射，并且反射光可以聚集在用户的眼球100的瞳孔103附近，以将AR图像投射在视网膜101上。
光学元件组35可以如图2所示配置。图2是示出光学元件组35的配置的示意图。
在光学元件组35中，光学元件HOE_A、HOE_B和HOE_C分别在Y方向和Z方向上以平板形状延伸。光学元件HOE_A、HOE_B和HOE_C在X方向上彼此分开放置。光学元件HOE_C位于光学元件HOE_A的相对侧，同时将光学元件HOE_B沿X方向放置在光学元件HOE_A和光学元件HOE_C之间。光学元件HOE_A与传输光线的光轴PA相交。光学元件HOE_B在从光学元件HOE_A偏移到负X侧的位置与传输光线的光轴PA相交。光学元件HOE_C在从光学元件HOE_B偏移到负X侧的位置与传输光线的光轴PA相交。
光学元件HOE_A将来自光源20的光聚集在聚光点(第一聚光点)FP_A，光学元件HOE_B将来自光源20的光聚集在聚光点(第二聚光点)FP_B，并且光学元件HOE_C将来自光源20的光聚集在聚光点(第三聚光点)FP_C。聚光点FP_C位于聚光点FP_A的相对侧，同时在Y方向上将聚光点FP_B放置在聚光点FP_A和聚光点FP_C之间。聚光点FP_B可以位于传输光线的光轴PA附近。
光学元件HOE_A、HOE_B和HOE_C的光学特性可以基本上彼此相等。短语“光学元件的光学特性基本上相等”可以包括光学元件的焦距差值落在小于瞳孔部分102的X宽度的范围内。光学元件HOE_A、HOE_B和HOE_C例如分别是全息光学元件(holographic opticalelement，HOE)。光学元件HOE_A、HOE_B和HOE_C中的每一个被配置为对于波长范围Δλ1的光具有图3的(a)中所示的光学特性，该光在波长λ1附近具有光谱峰。在本文中，图3的(a)示出了光学元件HOE_A、HOE_B和HOE_C的光学特性。在光学元件HOE_A、HOE_B和HOE_C中，来自光源20的光的入射表面在Y方向和Z方向上延伸，并且来自光源20的光的入射表面的法线方向是X方向。假设相对于正X方向，在XY平面中围绕Z轴顺时针旋转方向上的角度是正角。
如图3的(a)所示，光学元件HOE_A、HOE_B和HOE_C中的每一个被配置为相对于波长范围Δλ1的光具有反射(衍射)光谱的波长λ1附近的峰。例如，对于具有接近波长λ1的光谱峰的光，当入射角为θi1时，一阶衍射角为θr1，当入射角为θi2时，一阶衍射角为θr2，当入射角为θi3时，一阶衍射角为θr3。当三个入射角θi1、θi2和θi3满足公式(1)时，如果一阶衍射角θr2基本上对应于法线方向，则建立公式(2)。此外，如果两个入射角θi1和θi2之间的角度差以及两个入射角θi2和θi3之间的角度差基本上彼此相等，则建立公式(3)。
θi1 > θi2 > θi3 (1)
θr2≈0(2)
θr3≈-θr1(3)
例如，在λ1＝532nm、Δλ1＝450nm-650nm、θi1＝49.7度、θi2＝52.5度和θi3＝55度的情况下，衍射角为θr1＝12.9度、θr2＝0度和θr3＝-12.9度。此外，光学元件HOE_A、HOE_B和HOE_C中的每一个在零阶透射光和一阶衍射光之间可以具有1：1的强度比。
此时，当光学元件HOE_B中的光的扫描范围在Y方向上具有2W的宽度时，光学元件HOE_B被布置成与眼球100的瞳孔部分102在负X侧分开距离L(该距离由公式(4)指示)，如图3的(b)所示。作为结果，由光学元件HOE_B反射的光可以被聚集，使得当用户的眼球100的瞳孔103位于前方位置时，聚光点FP_B位于瞳孔103附近。
L ＝ W / (tan θr1) (4)
在本文中，用户的眼球100的瞳孔部分102包括瞳孔103和虹膜104。应当注意，瞳孔103的大小可以根据用户的眼球100的瞳孔部分102中的虹膜104的开度而改变，如图2所示。如果来自外界的传输光线的亮度高，则虹膜104的开度变小，并且瞳孔103的直径变小。如果来自外界的传输光线的亮度低，则虹膜104的开度变大，并且瞳孔103的直径变大。
假设光学元件HOE_A和光学元件HOE_B在X方向上的间隔为“d”，并且光学元件HOE_B和光学元件HOE_C在X方向上的间隔为“d'”，则建立公式(5)。
L>>d，L>>d' (5)
如果光学元件HOE_A、HOE_B和HOE_C的光学特性是如图3的(b)所示的特性，则聚光点FP_B位于从聚光点FP_A向负Y侧偏移的位置，如图2所示。聚光点FP_C位于从聚光点FP_B向负Y侧偏移的位置。如果建立公式(6)，则聚光点FP_A和聚光点FP_B在Y方向上的距离与聚光点FP_B和聚光点FP_C在Y方向上的距离可以基本相等。短语“聚光点之间的距离基本上相等”可以包括聚光点之间的Y方向上的位置的差值落在Y方向上的宽度小于瞳孔部分102的半径的范围内。
d≈d'(6)
公式(6)表示间隔d和间隔d'可以基本相等。短语“光学元件之间的间隔基本上相等”可以包括光学元件之间的间隔差值落在加工公差的范围内。例如，可以如图4所示限定光学元件HOE_A和光学元件HOE_B在X方向上的间隔d。图4是示出多个光学元件HOE_A、HOE_B和HOE_C的布置的示意图。图4是示意性示出用户的眼球100以视角2δ将视线带到图像边缘的情况的示意图。
假定用户的眼球100的直径为因为成年人的眼球直径一般被认为是24mm，所以，φ例如为24毫米。从光源20到光学元件HOE_A的光的入射角被限定为θi，一阶衍射角被限定为θr，并且与图像的半视角相对应的入射到瞳孔103上的角度被限定为δ。假设眼球100向视角边缘的移动量为“Di”，则通过公式(7)计算移动量Di，并且通过公式(8)计算间隔d。
在本文中，如果传输光线的光轴PA对应于眼球的前方位置，并且来自光源20的光在光学元件HOE_A中的入射面垂直于光轴PA，则建立公式(9)。
δ ＝ θr (9)
瞳孔103(见图2)的直径一般被认为是2mm至8mm。即使在外界亮度刺眼而使瞳孔103的直径变小的情况下，当眼球移动时，来自光源20的光进入瞳孔103的条件由公式(10)结合公式(7)提供。
在公式(10)中代入时，导出公式(11)。
δ > 4.78 [°] (11)
借助于通过在公式(8)中指定和θi＝49.7[°]而获得的公式，公式(11)被转换成如下公式(12)。
d > 0.8 [mm] (12)
换言之，如果保证光学元件HOE_A和光学元件HOE_B在X方向上的间隔d满足公式(12)，则即使在外界亮度刺眼而使瞳孔103的直径变小的情况下移动眼球，来自光源20的光也可以进入瞳孔103。
类似地，公式(13)由公式(6)和公式(12)导出。
d' > 0.8 [mm] (13)
换言之，如果保证光学元件HOE_B和光学元件HOE_C在X方向上的间隔d'满足式(13)，则即使在外界的亮度刺眼而使瞳孔103的直径变小的情况下移动眼球，来自光源20的光也可以进入瞳孔103。
例如，当用户佩戴图像投影设备1时，如图5所示，当用户的眼球100的瞳孔103位于前方位置时，光学元件HOE_B的聚光点FP_B主要位于瞳孔103附近。用户通过光学元件HOE_A至HOE_C在视觉上识别外界的真实图像IM2。与此同时，来自光源20的光被光学元件HOE_B反射，并在聚光点FP_B处被聚集，以作为AR图像投射到视网膜101上。作为结果，如图5所示，用户在视觉上识别在相对于聚光点FP_B和光学元件HOE_B之间的光路的负X侧延长线上的AR图像IM1。换言之，图像投影设备1使用户在视觉上识别通过将AR图像IM1叠加到外界的真实图像IM2上而获得的图像。
假设在图5的状态中，用户的眼球100的瞳孔103从前方位置移动到正Y侧。此时，如图6所示，光学元件HOE_A的聚光点FP_A主要位于瞳孔103附近。用户通过光学元件HOE_A至HOE_C在视觉上识别外界的真实图像IM2。与此同时，来自光源20的光被光学元件HOE_A反射，并在聚光点FP_A处被聚集，以作为AR图像投射到视网膜101上。作为结果，用户在视觉上识别在相对于聚光点FP_A和光学元件HOE_A之间的光路的负X侧延长线上的AR图像IM1。换言之，图像投影设备1使用户在视觉上识别通过将AR图像IM1叠加到外界的真实图像IM2上而获得的图像。
假设在图5的状态中，用户的眼球100的瞳孔103从前方位置移动到负Y侧。此时，如图7所示，光学元件HOE_C的聚光点FP_C主要位于瞳孔103附近。用户通过光学元件HOE_A至HOE_C在视觉上识别外界的真实图像IM2。与此同时，来自光源20的光被光学元件HOE_C反射，并在聚光点FP_C处被聚集，以作为AR图像投射到视网膜101上。作为结果，用户在视觉上识别在相对于聚光点FP_C和光学元件HOE_C之间的光路的负X侧延长线上的AR图像IM1。换言之，图像投影设备1使用户在视觉上识别通过将AR图像IM1叠加到外界的真实图像IM2上而获得的图像。
如图5至图7所示，通过复用光学元件HOE_A至HOE_C以反射来自光源20的光，即使用户的眼球100的瞳孔103移动，来自光源20的光也可以被聚集在瞳孔103附近。换言之，可以在抑制图像投影设备1的硬件和软件配置的复杂性的同时扩大动眼框。
此外，如图5至图7所示，如果多路复用光学元件HOE_A至HOE_C的光学特性被设计成使得光聚集在瞳孔附近的位置处垂直于光轴PA的同一平面上，则即使瞳孔103的位置移动，入射到用户眼球上的光的入射角也可以基本相等。作为结果，当由用户进行观察时，如图5至图7所示，即使当眼球100移动时，AR图像IM1和真实图像IM2之间的相对位置也可以几乎不变。换言之，可以抑制AR图像IM1在真实图像IM2上的移动，因此可以提高实现AR时的便利性。
如上所述，在本实施例中，使用视网膜投影方法的图像投影设备1包括用于反射来自光源20的光的多路复用光学元件HOE_A至HOE_C。作为结果，可以在抑制硬件和软件配置的复杂性的同时扩大动眼框。
应当注意，当建立公式(5)时，多个聚光点FP_A至FP_C可以位于瞳孔附近，并且通过沿着光轴PA布置具有基本相等的光学特性的多个光学元件HOE_A至HOE_C，可以将光聚集在垂直于光轴PA的同一平面附近，但是可以调整多个光学元件HOE_A至HOE_C的光学特性，以便聚集在同一平面附近。例如，当光学元件HOE_B的光学特性具有图3所示的特性时，调整光学元件HOE_A的光学特性以满足公式(14)。
L - d ＝ WA / (tan θr1') (14)
在公式(14)中，“L-d”是从光学元件HOE_A在X方向上的位置到瞳孔在X方向上的位置的X方向上的距离。此外，WA表示光学元件HOE_A中的光在Y方向上的扫描范围2WA，并且建立公式(15)。
2WA ＝ 2W + d (tan θi1 - tan θr3) (15)
一阶衍射角θr1'是略大于一阶衍射角θr1的角度。类似地，调整光学元件HOE_C的光学特性以满足公式(16)。
L + d' ＝ WC / (tan θr1") (16)
在公式(16)中，“L+d'”是从光学元件HOE_C在X方向上的位置到瞳孔在X方向上的位置的X方向上的距离。此外，WC表示光学元件HOE_C中的光在Y方向上的扫描范围2WC，并且建立公式(17)。
2WC ＝ 2W - d (tan θi1 + tan θr3) (17)
一阶衍射角θr1"是略小于一阶衍射角θr1的角度。作为结果，无论是否建立公式(5)，多个光学元件HOE_A至HOE_C可以被布置成聚集在同一平面附近。
此外，光学元件组35中的每个光学元件HOE_A至HOE_C可以是堆叠型全息光学元件，在堆叠型全息光学元件中，记录有干涉条纹图案的全息图被堆叠。待记录的每个干涉条纹图案对应于待反射的光的波长。替代地，光学元件组35中的光学元件HOE_A至HOE_C中的每一个可以是多次曝光型全息光学元件，多次曝光型全息光学元件中多个干涉条纹图案被多次曝光并记录在单个光敏材料上。待多次曝光的每个干涉条纹图案对应于待反射的光的波长。
替代地，光学元件组35可以包括多个光学元件DOE_A至DOE_C，而不是多个光学元件HOE_A至HOE_C。光学元件(第一光学元件)DOE_A、光学元件(第二光学元件)DOE_B和光学元件(第三光学元件)DOE_C中的每一个都是衍射光学元件(diffractive opticalelement，DOE)，在DOE中，在透光构件(例如，石英板、玻璃板)的表面上形成诸如周期性不均匀性的衍射光栅结构。诸如衍射光栅结构中的不均匀性的空间周期对应于待反射的光的波长。同样在这种情况下，来自光源20的光在光学元件组35中被扫描时可以被光学元件组35反射，并且反射光可以聚集在用户的眼球100的瞳孔103附近，以在视网膜101上投射AR图像。
替代地，光学元件组35可以包括多个光学元件ROE_A至ROE_C，而不是多个光学元件HOE_A至HOE_C。光学元件(第一光学元件)ROE_A、光学元件(第二光学元件)ROE_B和光学元件(第三光学元件)ROE_C中的每一个都是在眼球100侧上具有凹反射表面的半透射型反射光学元件(reflective optical element，ROE)。半透射型反射光学元件也称为半镜面。同样在这种情况下，来自光源20的光在光学元件组35中被扫描时可以被光学元件组35反射，并且反射光可以聚集在用户的眼球100的瞳孔103附近，以在视网膜101上投射AR图像。
此外，图像投影设备1可以被配置为对应于多色(例如，全色)AR图像。光源20可以产生多色光。例如，光源20包括第一激光振荡器、第二激光振荡器、第三激光振荡器和光多路复用器。第一激光振荡器产生第一颜色(例如，红色)激光束。第一颜色激光束是例如在波长接近630nm处具有光谱峰的光。第二激光振荡器产生第二颜色(例如，绿色)激光束。第二颜色激光束是例如在波长接近530nm处具有光谱峰的光。第三激光振荡器产生第三颜色(例如，蓝色)激光束。第三颜色激光束是例如在波长接近440nm处具有光谱峰的光。光多路复用器多路复用第一颜色激光束、第二颜色激光束和第三颜色激光束以产生合成色的(例如，白色)激光束。光源20发射合成色的激光束。
此时，光学元件组35可以被配置为对应于多色光。例如，当包括在光学元件组35中的每个光学元件是衍射光学元件(DOE)时，由于波长选择性，难以创建对应于多个波长的光学元件DOE。为此，光学元件组由多个光学元件DOE堆叠而成，每个光学元件DOE对应于单个波长，元件的数量对应多种颜色。可以如图8所示配置光学元件组35。图8是示出根据实施例的第一修改示例的光学元件组35的配置的示意图。
光学元件组35包括多个光学元件组35A、35B和35C，而不是多个光学元件HOE_A、HOE_B和HOE_C(参见图2)。光学元件组35A布置在与光学元件HOE_A相对应的位置。光学元件组35A包括从正X侧到负X侧依次堆叠的光学元件(第一光学元件)DOE_A_B、光学元件(第一光学元件)DOE_A_R和光学元件(第一光学元件)DOE_A_G。在图8中，用双点划线表示光学元件DOE_A_B，用实线表示光学元件DOE_A_R，用点划线表示光学元件DOE_A_G。光学元件DOE_A_B、DOE_A_R和DOE_A_G分别在Y方向和Z方向上以平板形状延伸。光学元件DOE_A_B是用于B(蓝色)波长的衍射光学元件(DOE)，并且在其表面上具有诸如与B(蓝色)波长对应的周期的不均匀性的衍射光栅结构。光学元件DOE_A_R是用于R(红色)波长的衍射光学元件(DOE)，并且在其表面上具有诸如与R(红色)波长对应的周期的不均匀性的衍射光栅结构。光学元件DOE_A_G是用于G(绿色)波长的衍射光学元件(DOE)，并且在其表面上具有诸如与G(绿色)波长对应的周期的不均匀性的衍射光栅结构。
光学元件DOE_A_B、DOE_A_R和DOE_A_G中的每一个对应于单个波长。光学元件DOE_A_B在聚光点FP_A处聚集来自光源20的合成色的光的B(蓝色)波长分量。光学元件DOE_A_R在聚光点FP_A处聚集来自光源20的合成色的光的R(红色)波长分量。光学元件DOE_A_G在聚光点FP_A处聚集来自光源20的合成色的光的G(绿色)波长分量。
类似地，光学元件组35B布置在与光学元件HOE_B相对应的位置处。光学元件组35B包括从正X侧到负X侧依次堆叠的光学元件(第二光学元件)DOE_B_B、光学元件(第二光学元件)DOE_B_R和光学元件(第二光学元件)DOE_B_G。光学元件DOE_B_B、DOE_B_R和DOE_B_G在Y方向和Z方向上以平板形状延伸。光学元件DOE_B_B、DOE_B_R和DOE_B_G中的每一个对应于单个波长。光学元件DOE_B_B在聚光点FP_B处聚集来自光源20的合成色的光的B(蓝色)波长分量。光学元件DOE_B_R在聚光点FP_B处聚集来自光源20的合成色的光的R(红色)波长分量。光学元件DOE_B_G在聚光点FP_B处聚集来自光源20的合成色的光的G(绿色)波长分量。
光学元件组35C布置在与光学元件HOE_C相对应的位置处。光学元件组35C包括从正X侧到负X侧依次堆叠的光学元件(第三光学元件)DOE_C_B、光学元件(第三光学元件)DOE_C_R和光学元件(第三光学元件)DOE_C_G。光学元件DOE_C_B、DOE_C_R和DOE_C_G分别在Y方向和Z方向上以平板形状延伸。光学元件DOE_C_B、DOE_C_R和DOE_C_G中的每一个对应于单个波长。光学元件DOE_C_B在聚光点FP_C处聚集来自光源20的合成色的光的B(蓝色)波长分量。光学元件DOE_C_R在聚光点FP_C处聚集来自光源20的合成色的光的R(红色)波长分量。光学元件DOE_C_G在聚光点FP_C处聚集来自光源20的合成色的光的G(绿色)波长分量。
作为结果，来自光源20的光在光学元件组35中被扫描时可以被光学元件组35反射，并且反射光可以聚集在用户的眼球100的瞳孔103附近，以在视网膜101上投射多色(例如，全色)AR图像。
在这种情况下，在使用视网膜投影方法的图像投影设备1中多路复用用于反射来自光源20的多色光的光学元件DOE_A_B、DOE_A_R、DOE_A_G至DOE_C_B、DOE_C_R、DOE_C_G。作为结果，相对于多色(例如，全色)光，动眼框可以被放大，同时抑制硬件和软件配置的复杂性。
替代地，例如，当包括在光学元件组35中的每个光学元件是全息光学元件(HOE)时，可以创建对应于多个波长的光学元件HOE。为此，一个光学元件HOE被配置为对应于多个颜色。可以如图9所示配置光学元件组35。图9是示出根据实施例的第二修改示例的光学元件组35的配置的示意图。
光学元件组35包括多个光学元件HOE_A'、HOE_B'和HOE_C'，而不是多个光学元件HOE_A、HOE_B和HOE_C(参见图2)。光学元件(第一光学元件)HOE_A'布置在与光学元件HOE_A对应的位置处，并在Y方向和Z方向上以平板形状延伸。光学元件HOE_A'是堆叠型或多次曝光型全息光学元件，并且包括用于B(蓝色)波长的干涉条纹图案、用于R(红色)波长的干涉条纹图案和用于G(绿色)波长的干涉条纹图案。
光学元件HOE_A'对应于多个(例如，三个)波长。光学元件HOE_A'在聚光点FP_A处聚集来自光源20的合成色的光的B(蓝色)波长分量。光学元件HOE_A'在聚光点FP_A处聚集来自光源20的合成色的光的R(红色)波长分量。光学元件HOE_A'在聚光点FP_A处聚集来自光源20的合成色的光的G(绿色)波长分量。
类似地，光学元件(第二光学元件)HOE_B'布置在与光学元件HOE_B相对应的位置处，并且在Y方向和Z方向上以平板形状延伸。光学元件HOE_B'是堆叠型或多次曝光型全息光学元件，并且包括用于B(蓝色)波长的干涉条纹图案、用于R(红色)波长的干涉条纹图案和用于G(绿色)波长的干涉条纹图案。
光学元件HOE_B'对应于多个(例如，三个)波长。光学元件HOE_B'在聚光点FP_B处聚集来自光源20的合成色的光的B(蓝色)波长分量。光学元件HOE_B'在聚光点FP_B处聚集来自光源20的合成色的光的R(红色)波长分量。光学元件HOE_B'在聚光点FP_B处聚集来自光源20的合成色的光的G(绿色)波长分量。
光学元件(第三光学元件)HOE_C'布置在与光学元件HOE_C相对应的位置处，并且在Y方向和Z方向上以平板形状延伸。光学元件HOE_C'是堆叠型或多次曝光型全息光学元件，并且包括用于B(蓝色)波长的干涉条纹图案、用于R(红色)波长的干涉条纹图案和用于G(绿色)波长的干涉条纹图案。
光学元件HOE_C'对应于多个(例如，三个)波长。光学元件HOE_C'在聚光点FP_C处聚集来自光源20的合成色的光的B(蓝色)波长分量。光学元件HOE_C'在聚光点FP_C处聚集来自光源20的合成色的光的R(红色)波长分量。光学元件HOE_C'在聚光点FP_C处聚集来自光源20的合成色的光的G(绿色)波长分量。
作为结果，来自光源20的光在光学元件组35中被扫描时可以被光学元件组35反射，并且反射光可以聚集在用户的眼球100的瞳孔103附近，以在视网膜101上投射多色(例如，全色)AR图像。
在这种情况下，在使用视网膜投影方法的图像投影设备1中多路复用用于反射来自光源20的多色光的光学元件HOE_A'到HOE_C'。作为结果，相对于多色(例如，全色)光，动眼框可以被放大，同时抑制硬件和软件配置的复杂性。
替代地，当包括在光学元件组35中的每个光学元件是全息光学元件(HOE)时，例如，可以将对应于多个波长的光学元件HOE和对应于单个波长的光学元件HOE进行混合。可以如图10所示配置光学元件组35。图10是示出根据实施例的第三修改示例的光学元件组35的配置的示意图。
光学元件组35包括多个光学元件组35A、35B和35C，而不是多个光学元件HOE_A、HOE_B和HOE_C(参见图2)。光学元件组35A布置在与光学元件HOE_A相对应的位置处。光学元件组35A包括从正X侧到负X侧依次堆叠的光学元件(第一光学元件)HOE_A_BG和光学元件(第一光学元件)HOE_A_R。在图10中，用点划线表示光学元件HOE_A_BG，用实线表示光学元件HOE_A_R。光学元件HOE_A_BG和HOE_A_R分别在Y方向和Z方向上以平板形状延伸。光学元件HOE_A_BG是堆叠型或多次曝光型全息光学元件，并且包括用于B(蓝色)波长的干涉条纹图案和用于G(绿色)波长的干涉条纹图案。光学元件HOE_A_R是堆叠型或多次曝光型全息光学元件，并且包括用于R(红色)波长的干涉条纹图案。
光学元件HOE_A_BG对应于多个波长，以及光学元件HOE_A_R对应于单个波长。光学元件HOE_A_BG在聚光点FP_A处聚集来自光源20的合成色的光的B(蓝色)波长分量。光学元件HOE_A_BG在聚光点FP_A处聚集来自光源20的合成色的光的G(绿色)波长分量。光学元件HOE_A_R在聚光点FP_A处聚集来自光源20的合成色的光的R(红色)波长分量。
类似地，光学元件组35B布置在与光学元件HOE_B相对应的位置处。光学元件组35B包括从正X侧到负X侧依次堆叠的光学元件(第二光学元件)HOE_B_BG和光学元件(第二光学元件)HOE_B_R。光学元件HOE_B_BG和HOE_B_R分别在Y方向和Z方向上以平板形状延伸。光学元件HOE_B_BG对应于多个波长，光学元件HOE_B_R对应于单个波长。光学元件HOE_B_BG在聚光点FP_B处聚集来自光源20的合成色的光的B(蓝色)波长分量。光学元件HOE_B_BG在聚光点FP_B处聚集来自光源20的合成色的光的G(绿色)波长分量。光学元件HOE_B_R在聚光点FP_B处聚集来自光源20的合成色的光的R(红色)波长分量。
光学元件组35C布置在与光学元件HOE_C相对应的位置处。光学元件组35C包括从正X侧到负X侧依次堆叠的光学元件(第三光学元件)HOE_C_BG和光学元件(第三光学元件)HOE_C_R。光学元件HOE_C_BG和HOE_C_R在Y方向和Z方向上以平板形状延伸。光学元件HOE_C_BG对应于多个波长，光学元件HOE_C_R对应于单个波长。光学元件HOE_C_BG在聚光点FP_C处聚集来自光源20的合成色的光的B(蓝色)波长分量。光学元件HOE_C_BG在聚光点FP_C处聚集来自光源20的合成色的光的G(绿色)波长分量。光学元件HOE_C_R在聚光点FP_C处聚集来自光源20的合成色的光的R(红色)波长分量。
作为结果，来自光源20的光在光学元件组35中被扫描时可以被光学元件组35反射，并且反射光可以聚集在用户的眼球100的瞳孔103附近，以在视网膜101上投射多色(例如，全色)AR图像。
在这种情况下，在使用视网膜投影方法的图像投影设备1中多路复用用于反射来自光源20的多色光的光学元件HOE_A_BG和HOE_A_R到HOE_C_BG和HOE_C_R。作为结果，相对于多色(例如，全色)光，动眼框可以被放大，同时抑制硬件和软件配置的复杂性。
替代地，光学元件组35可能考虑到杂散光而进行配置。可以如图11所示配置光学元件组35。图11是示出根据实施例的第四修改示例的光学元件组35的配置的示意图。应当注意，当从正X侧观察时，顺时针旋转的偏振方向称为右旋圆偏振；当从正X侧观察时，逆时针旋转的偏振方向称为左旋圆偏振。
光学元件组35包括多个光学元件HOE_A"、HOE_B"和HOE_C"，而不是多个光学元件HOE_A、HOE_B和HOE_C(参见图2)，并且还包括滤波元件(filter element，FE)和转换元件(conversion element，CE)。
光学元件(第一光学元件)HOE_A"布置在与光学元件HOE_A相对应的位置，并在Y方向和Z方向上以平板形状延伸。光学元件HOE_A"例如是堆叠型全息光学元件，堆叠型全息光学元件中堆叠记录有干涉条纹图案的全息图和具有左旋反射特性的胆甾液晶(cholesteric liquid crystal)。光学元件HOE_A"包括具有螺旋结构的胆甾液晶，当从正X侧观察时，该螺旋结构是逆时针旋转的。因此，在入射光的分量中，光学元件HOE_A"反射出与胆甾液晶中的螺旋结构相同方向的圆偏振分量(例如，左旋圆偏振分量)，并且在相反方向上透射圆偏振分量(例如，右旋圆偏振分量)。
光学元件(第二光学元件)HOE_B"布置在与光学元件HOE_B相对应的位置，并在Y方向和Z方向上以平板形状延伸。光学元件HOE_B"例如是堆叠型全息光学元件，堆叠型全息光学元件中堆叠记录有干涉条纹图案的全息图和具有右旋反射特性的胆甾液晶。替代地，光学元件HOE_B"可以是液晶全息光学元件，其上记录有干涉条纹图案。光学元件HOE_B"包括具有螺旋结构的胆甾液晶，当从正X侧观察时，该螺旋结构是顺时针旋转的。因此此，在入射光的分量中，光学元件HOE_B"反射出与胆甾液晶中的螺旋结构相同方向的圆偏振分量(例如，右旋圆偏振分量)，并且在相反方向上透射圆偏振分量(例如，左旋圆偏振分量)。
光学元件(第三光学元件)HOE_C"布置在与光学元件HOE_C相对应的位置，并且在Y方向和Z方向上以平板形状延伸。光学元件HOE_C"例如是堆叠型全息光学元件，堆叠型全息光学元件中堆叠记录有干涉条纹图案的全息图和具有左旋反射特性的胆甾液晶。光学元件HOE_C"包括具有螺旋结构的胆甾液晶，当从正X侧观察时，该螺旋结构是逆时针旋转的。因此，在入射光的分量中，光学元件HOE_C"反射出与胆甾液晶中的螺旋结构相同方向的圆偏振分量(例如，左旋圆偏振分量)，并且在相反方向上透射圆偏振分量(例如，右旋圆偏振分量)。
滤波元件FE被布置成与X方向上的光学元件HOE_A"和光学元件HOE_B"之间的光轴PA相交。滤波元件FE还被布置成与X方向上的光学元件HOE_A"和转换元件CE之间的光轴PA相交。滤波元件FE具有选择性地通过适当偏振的光的滤波功能。滤波元件FE例如是右旋圆偏振滤波器，其中堆叠有线偏振片和四分之一波片。在入射光的分量中，滤波元件FE透射右旋圆偏振分量，将线性偏振分量转换成右旋圆偏振分量，以将转换后的分量作为右旋圆偏振光进行透射，并阻挡左旋圆偏振分量。
转换元件CE被布置成与X方向上的光学元件HOE_A"和光学元件HOE_B"之间的光轴PA相交。转换元件CE还被布置成与X方向上的滤波元件FE和光学元件HOE_B"之间的光轴PA相交，转换元件CE将光的偏振状态转换成另一偏振状态以辅助滤波元件FE的滤波功能。转换元件CE例如是四分之一波片。如果入射光是圆偏振光，则转换元件CE将圆偏振光转换成线偏振光并发射转换后的光。
应当注意，滤波元件FE可以被布置成与X方向上的光学元件HOE_B"和光学元件HOE_C"之间的光轴PA相交。在这种情况下，转换元件CE被布置成与X方向上的滤波元件FE和光学元件HOE_C"之间的光轴PA相交。
例如，如图11所示，当线偏振光从正X侧入射到光学元件HOE_A"上时，一些分量以左旋圆偏振光的形式反射到眼球100。其他分量被转换成右旋圆偏振光并被透射。右旋圆偏振光穿过滤波元件FE并被转换元件CE转换成线偏振光，并且转换后的光入射到光学元件HOE_B"上。
当线偏振光从正X侧入射到光学元件HOE_B"上时，一些分量被反射为右旋圆偏振光，而其他分量被转换为左旋圆偏振光并被透射。由光学元件HOE_B"反射的右旋圆偏振光被转换元件CE转换为线偏振光。线性偏振光被滤波元件FE转换成右旋圆偏振光，并且转换后的光从负X侧入射到光学元件HOE_A"上。右旋圆偏振光穿过光学元件HOE_A"到达眼球100。换言之，可以防止由光学元件HOE_B"反射的光被光学元件HOE_A"再次反射。
假设不同于右旋圆偏振光的其他偏振光从滤波元件FE入射到光学元件HOE_A"上，如虚线箭头所示。在这种情况下，该其他偏振光被光学元件HOE_A"反射为左旋圆偏振光，因此反射光被滤波元件FE阻挡。作为结果，即使产生了由光学元件HOE_A"再次反射的光，该再次反射的光也会被滤波元件FE阻挡，并且可以抑制再次反射的光的影响。
另一方面，通过光学元件HOE_B"透射的左旋圆偏振光的几乎所有分量被反射为左旋圆偏振光，并且从负X侧入射到光学元件HOE_B"上。左旋圆偏振光穿过光学元件HOE_B"，并由转换元件CE转换成线偏振光。线偏振光由滤波元件FE转换成右旋圆偏振光，并且转换后的光从负X侧入射到光学元件HOE_A"上。右旋圆偏振光穿过光学元件HOE_A"到达眼球100。换言之，可以防止由光学元件HOE_C"反射的光被光学元件HOE_A"再次反射。
如果不同于右旋圆偏振光的其它偏振光从滤波元件FE入射到光学元件HOE_A"上，如虚线箭头所示，则该其它偏振光被光学元件HOE_A"反射为左旋圆偏振光，并因此该反射光被滤波元件FE阻挡。作为结果，即使产生了由光学元件HOE_A"再次反射的光，该再次反射光也会被滤波元件FE阻挡，并且可以抑制再次反射的光的影响。
以这种情况下，光学元件组35包括滤波元件FE，该滤波元件FE在X方向上设置在多个光学元件HOE_A"至HOE_C"之间，以选择性地通过适当偏振的光。作为结果，因为可以防止由光学元件HOE_A"至HOE_C"中的每一个反射的光被其他光学元件HOE反射，所以可以去除杂散光。
【字母或数字的解释】
1 图像投影设备
10 控制器
20 光源
30 光学系统
31 透镜
32 反射镜
33 反射镜
34 扫描驱动单元
35 光学元件组
35A至35C 光学元件组
DOE_A_B至DOE_C_G 光学元件
HOE_A至HOE_C 光学元件
HOE_A_BG至HOE_C_R 光学元件
HOE_A'到HOE_C' 光学元件
HOE_A"至HOE_C" 光学元件

Claims (20)

1.一种图像投影设备，包括：
光源，被配置为能够投射光；
光学系统，被配置为能够传输来自外界的外部光，以及反射来自所述光源的所述光；
其中，所述光学系统将所述光聚集在用户的眼球的瞳孔附近，以将根据来自所述光源的所述光创建的图像投射到所述眼球的视网膜上。
2.根据权利要求1所述的图像投影设备，其中，
所述光学系统包括：
第一光学元件，被配置为将来自所述光源的所述光聚集在第一聚光点；以及
第二光学元件，被配置为将来自所述光源的所述光聚集在第二聚光点，所述第二聚光点与所述第一聚光点的位置不同。
3.根据权利要求2所述的图像投影设备，其中，
所述第一光学元件和所述第二光学元件在沿着传输光线的光轴的第一方向上彼此分开放置。
4.根据权利要求3所述的图像投影设备，其中，
所述第一光学元件和所述第二光学元件位于在所述第一方向上彼此偏移的位置，以便与所述传输光线的所述光轴相交。
5.根据权利要求4所述的图像投影设备，其中，
所述第一聚光点和所述第二聚光点位于在第二方向上彼此偏移的位置。
6.根据权利要求5所述的图像投影设备，其中，
所述第二方向是与所述传输光线的所述光轴相交的方向。
7.根据权利要求5所述的图像投影设备，其中，
所述第一聚光点和所述第二聚光点中的一个位于所述传输光线的所述光轴附近。
8.根据权利要求2所述的图像投影设备，其中，
所述第一光学元件的光学特性和所述第二光学元件的光学特性基本上彼此相等。
9.根据权利要求2所述的图像投影设备，其中，
调整所述第一光学元件的光学特性和所述第二光学元件的光学特性，使得所述第一聚光点和所述第二聚光点位于穿过所述瞳孔并垂直于传输光线的光轴的平面附近。
10.根据权利要求2所述的图像投影设备，其中，
所述光学系统还包括第三光学元件，所述第三光学元件被配置为将来自所述光源的所述光聚集在第三聚光点，所述第三聚光点与所述第一聚光点和所述第二聚光点的位置不同。
11.根据权利要求10所述的图像投影设备，其中，
所述第一光学元件、所述第二光学元件和所述第三光学元件在沿着传输光线的光轴的第一方向上彼此分开放置。
12.根据权利要求11所述的图像投影设备，其中，
所述第三光学元件在所述第一方向上被布置在所述第一光学元件的相对侧，同时将所述第二光学元件放置在所述第一光学元件和所述第三光学元件之间，使得所述第一光学元件、所述第二光学元件和所述第三光学元件与所述传输光线的所述光轴相交。
13.根据权利要求12所述的图像投影设备，其中，
所述第三聚光点在第二方向上被布置在所述第一聚光点的相对侧，将所述第二聚光点放置在所述第一聚光点和所述第三聚光点之间。
14.根据权利要求13所述的图像投影设备，其中，
所述第二方向是与所述传输光线的所述光轴相交的方向。
15.根据权利要求13所述的图像投影设备，其中，
所述第一聚光点、所述第二聚光点和所述第三聚光点中的一个位于所述传输光线的所述光轴附近。
16.根据权利要求10所述的图像投影设备，其中，
所述第一光学元件的光学特性、所述第二光学元件的光学特性和所述第三光学元件的光学特性基本上彼此相等。
17.根据权利要求10所述的图像投影设备，其中，
调整所述第一光学元件的光学特性、所述第二光学元件的光学特性和所述第三光学元件的光学特性，使得所述第一聚光点、所述第二聚光点和所述第三聚光点位于穿过所述瞳孔并垂直于传输光线的光轴的平面附近。
18.根据权利要求10所述的图像投影设备，其中，
所述第一光学元件和所述第二光学元件在第一方向上的间隔基本上等于所述第二光学元件和所述第三光学元件在所述第一方向上的间隔，以及
所述第一聚光点和所述第二聚光点在第二方向上的距离基本上等于所述第二聚光点和所述第三聚光点在所述第二方向上的距离。
19.根据权利要求2所述的图像投影设备，其中，
所述光学系统还包括在所述第一光学元件和所述第二光学元件之间的滤波元件，所述滤波元件被配置为选择性地通过适当偏振的光。
20.一种视网膜投影方法，包括：
产生光；
通过光学系统传输外部光；
在所述光学系统处反射所产生的光；以及
通过所述光学系统将所述光聚集在用户的眼球的瞳孔附近，以将根据来自光源的所述光创建的图像投射到所述眼球的视网膜上。
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