TW202240240A - 包括選擇性照明的光學系統 - Google Patents

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TW202240240A
TW202240240A TW110145546A TW110145546A TW202240240A TW 202240240 A TW202240240 A TW 202240240A TW 110145546 A TW110145546 A TW 110145546A TW 110145546 A TW110145546 A TW 110145546A TW 202240240 A TW202240240 A TW 202240240A
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light
pupil
light beam
eye
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希蒙 格拉巴尼克
齊翁 艾森菲爾德
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以色列商魯姆斯有限公司
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Abstract

在實施方式中，公開了一種包括至少一個處理器的裝置。至少一個處理器被配置成至少部分地基於眼睛的瞳孔相對於眼動箱的位置來從多個光源中選擇光源。所選擇的光源被配置成利用光束照射眼動箱的與瞳孔的位置對應的部分。至少一個處理器還被配置成啟動所選擇的光源以照射眼動箱的一部分。

Description

包括選擇性照明的光學系統
本公開內容涉及光學系統。更具體地，本公開內容涉及具有在一些實施方式中可以用於近眼顯示系統的選擇性照明的光學系統。
本發明要求於2020年12月28日提交的題為“DISPLAYS EMPLOYING SELECTIVE EYE PUPIL ILLUMINATION WITH OPTIONAL LIGHT FIELD PROJECTION”的美國臨時申請第63/130,957號的權益，以及於2020年12月6日提交的題為“DISPLAYS EMPLOYING SELECTIVE EYE MOTION BOX ILLUMINATION”的美國臨時申請第63/121,937號的權益，以上中的每一個的全部內容通過引用併入本文中。
諸如近眼顯示系統的光學系統通常以可能引起導致圖像品質降低的潛在像差的方式照射使用者的眼睛。例如，光學系統可以利用圖像的光束照射整個瞳孔。由於光束中的像差(例如彗差、散光或任何其他像差)，當圖像的部分穿過瞳孔並且到達視網膜時，這些部分會變得模糊並且可能變形。
在實施方式中，公開了一種包括至少一個處理器的裝置。至少一個處理器被配置成至少部分地基於眼睛的瞳孔相對於眼動箱的位置來從多個光源中選擇光源。所選擇的光源被配置成利用光束照射眼動箱的與瞳孔的位置對應的部分。至少一個處理器還被配置成啟動所選擇的光源以照射眼動箱的部分。
在一些實施方式中，所選擇的光源被配置成利用光束照射眼動箱的僅與瞳孔的一部分對應的部分。
在實施方式中，至少一個處理器被配置成至少部分地基於所選 擇的光源來確定要施加到光束的變形，並且被配置成至少部分地基於所確定的變形來引起對光束的修改。
在另一實施方式中，至少部分地基於所選擇的光源來確定要施加到光束的變形包括：針對由準直器引起的像差確定對光束的校正。
在一些實施方式中，至少部分地基於所確定的變形來引起對光束的修改：包括使空間光調變器至少部分地基於所確定的變形來修改光束。
在實施方式中，光束至少部分地基於耦出裝置的多個元件來照射眼動箱的部分。可以將元件中的每一個元件的反射率和強度中的至少一個在至少兩個狀態之間選擇性地調整。至少一個處理器還被配置成至少部分地基於所選擇的光源來確定多個元件中的給定元件的目標狀態，並且使得將給定元件設置為目標狀態。
在另一實施方式中，光源為第一光源，並且至少一個處理器被配置成選擇多個光源中的第二光源。第二光源被配置成照射眼動箱的一部分。
在一些實施方式中，公開了一種方法，包括至少部分地基於眼睛的瞳孔相對於眼動箱的位置從多個光源中選擇光源。所選擇的光源被配置成利用光束照射眼動箱的與瞳孔的位置對應的部分。方法還包括啟動所選擇的光源以照射眼動箱的部分。
在一些實施方式中，所選擇的光源被配置成利用光束照射眼動箱的僅與瞳孔的一部分對應的部分。
在實施方式中，其中，方法還包括至少部分地基於所選擇的光源來確定要施加到光束的變形，並且至少部分地基於所確定的變形來引起對光束的修改。
在另一實施方式中，至少部分地基於所選擇的光源來確定要施加到光束的變形包括確定針對由準直器引起的像差對光束的校正。
在一些實施方式中，至少部分地基於所確定的變形來引起對光束的修改包括：使空間光調變器至少部分地基於所確定的變形來修改光束。
在實施方式中，光束至少部分地基於耦出裝置的多個元件來照射眼動箱的部分，其中，可以將元件中的每一個元件的反射率和強度中的至 少一個在至少兩個狀態之間選擇性地進行調整。該方法還包括至少部分地基於所選擇的光源來確定多個元件中的給定元件的目標狀態，並且使得將給定元件設置為目標狀態。
在另一實施方式中，光源為第一光源，並且該方法還包括選擇多個光源中的第二光源。第二光源被配置成照射眼動箱的一部分。
在實施方式中，公開了一種光學系統。光學系統包括多個光源和光導光學元件，光導光學元件包括耦出裝置，該耦出裝置被配置成將從多個光源接收的光束朝向光學系統的眼動箱進行引導。光學系統還包括控制器，該控制器被配置成至少部分地基於眼睛的瞳孔相對於眼動箱的位置來從多個光源中選擇光源。所選擇的光源被配置成發射光束，該光束在由耦出裝置引導時照射眼動箱的與瞳孔的位置對應的部分。控制器還被配置成啟動所選擇的光源以照射眼動箱的部分。
在一些實施方式中，光學系統還包括被配置成確定瞳孔的位置的眼動跟蹤系統。控制器被配置成確定眼動箱的與由眼動跟蹤系統確定的瞳孔的位置對應的部分。
在實施方式中，光學系統還包括設置在多個光源與光導光學元件之間的空間光調變器。控制器被配置成至少部分地基於所選擇的光源來確定要施加到光束的變形，並且空間光調變器被配置成至少部分地基於所確定的變形來修改光束。
在另一實施方式中，光學系統還包括被配置成將來自所選擇的光源的光束朝向空間光調變器進行引導的光學裝置。該光學裝置包括第一透鏡、第二透鏡、設置在第一透鏡與第二透鏡之間的第一微透鏡陣列、以及設置在第一微透鏡陣列與第二透鏡之間的第二微透鏡陣列。
在一些實施方式中，多個光源位於第一透鏡的焦平面中，第二微透鏡陣列位於第一微透鏡陣列的焦平面中，並且空間光調變器位於第二透鏡的焦平面中。
在實施方式中，耦出裝置包括多個元件。控制器被配置成將元件中的每一個元件的反射率和強度中的至少一個在至少兩個狀態之間選擇性地進行調整。
前述概述僅是說明性的，並且不旨在以任何方式進行限制。除了上述說明性方面、實施方式和特徵之外，通過參照圖式和以下詳細描述，其他方面、實施方式和特徵將變得明顯。在圖式中，相同的圖式標記指示相同的元件或功能上相似的元件。
100:光學系統
1000,1002:光束
1004,1006:位置
1008(FOV A),1010(FOV B),1012(FOV A),1014(FOV B):光束
110:圖像投影元件
1100:照明系統
1102:MLA
1104:光源矩陣
1106:光源
1108:光束
1110:微透鏡
1112:光源
1114:光束
112:投影光學器件(POD)
114:光導光學元件(LOE)
116,118:主外表面
120:耦出裝置
1200,1202:光束
122:反射光學裝置
124:小平面
126:光束
128:EMB
130:光束
13001,13002,1300n:圖像
1300,1302:光束
134,136,138:光束
140:控制器
1400:光束
1402,1404,1406,1408:小平面
142:光束
1500:動態小平面結構
1502:小平面
1504,1506:液晶層
160:眼睛跟蹤系統
1610:圖像投影元件
1612:POD
1614:LOE
1616,1618:主外表面
1620:耦出裝置
1624:布拉格反射器(SBR)
1626:光束
1628:區域
1700,1702,1704,1706,1708,1710,1712:步驟
180:眼睛
182:瞳孔
184:晶狀體
186:視網膜
210:圖像投影元件
212:POD
214:LOE
220:耦出裝置
224:小平面
300:照明系統
302:投影光學器件
304:空間光調變器(SLM)
306:陣列
308:光學裝置
310:漫射器
312,314:光源
400:透鏡
402:光束
404:螢幕
406:光闌
500,502,504,506,508:步驟
600:照明系統
606:陣列
608:第一光學裝置
610:第一微透鏡陣列(MLA)
612:第二微透鏡陣列(MLA)
614:第二光學裝置
616,618:光束
620,622:光源
710:圖像投影元件
712:POD
714:LOE
716,718:主外表面
720:耦出裝置
722:反射光學裝置
723:波片
724:小平面
726:光束
727:蓋板
750:楔
752,754:表面
756:混合器
800:照明系統
802:陣列
804,806:稜鏡裝置
808:四分之一波片
810:光學裝置
812:LOE
814:小平面
816:稜鏡
820:SLM
822:偏振分束器
824:稜鏡
826:反射光學裝置
900:照明系統
902:陣列
904:光學元件
906:LOE
908:稜鏡
910:小平面
ac,bc,cc:像差
af:寬度
bf,cf:子孔徑寬度
D:寬度
D0:孔徑
D1:子孔徑
D2,D3:寬度
DEMB,DEP:寬度
d:寬度
d0,d1:尺寸
dx,dy:距離
e:元距離
ex,ey:位置
J0,J1,J2,J3:圖像
p:偏振
P0:點
P1:點
P2:圖像
P3:圖像
px:軸
s:偏振
s1,s2:尺寸
x0,z0:座標
圖1是根據實施方式的示例光學系統的示意圖。
圖2A至圖2C是示出根據實施方式的用於2D瞳孔擴展的圖1的光學系統的示例圖像投影元件的示意圖。
圖3是示出根據實施方式的用於1D瞳孔擴展的圖1的光學系統的示例圖像投影元件的示意圖。
圖4是示出根據實施方式的將光束投影到表面上的圖。
圖5是示出根據實施方式的通過子孔徑將圖4的光束投影到表面上的圖。
圖6A是示出根據實施方式的由圖2A至圖2C的示例圖像投影元件的投影光學器件(projection optics device，POD)的全孔徑投影的光束的示意圖。
圖6B是示出根據實施方式的被投影到眼睛上的圖6A的光束的圖。
圖7A是示出根據實施方式的由圖2A至圖2C的示例圖像投影元件的POD的第一子孔徑投影的光束的示意圖。
圖7B是示出根據實施方式的被投影到眼睛上的圖7A的光束的圖。
圖8A是示出根據實施方式的由圖2A至圖2C的示例圖像投影元件的POD的第二子孔徑投影的光束的示意圖。
圖8B是示出根據實施方式的被投影到眼睛上的圖8A的光束的圖。
圖9A至圖9C示出了根據實施方式的投影到眼睛上的圖6A至圖8B的光束的示例像差圖。
圖10和圖11是示出根據實施方式的圖1的光學系統的示例POD的示意圖。
圖12是示出根據實施方式的其中控制器控制圖10和圖11的POD的空 間光調變器(spatial light modulator,SLM)的圖1的光學系統的示意圖。
圖13A是示出根據實施方式的用於部分眼睛瞳孔照明和選擇性眼動箱(eye motion box，EMB)照明的示例過程的圖。
圖13B和圖13C是示出根據實施方式的根據圖13A的示例過程的示例像差圖的圖。
圖13D是根據實施方式的圖13A的示例過程的流程圖。
圖14和圖15是示出根據實施方式的圖1的具有微透鏡陣列(micro-lens array，MLA)的光學系統的示例POD的示意圖。
圖16A和圖16B是示出根據實施方式的圖1的光學系統的示例圖像投影元件的示意圖。
圖16C是示出根據實施方式的圖1的光學系統的示例圖像投影元件的示意圖。
圖17是示出根據實施方式的由圖10的POD投影到圖1的光學系統的光導光學元件(light-guide optical element，LOE)中並且被導向到EMB的光束的示意圖。
圖18A至圖18C是示出根據實施方式的來自圖10的POD的不同孔徑和不同視場(fields of view，FOV)的光束相對於眼睛的瞳孔的位置的路徑的圖。
圖19A至圖19C是示出根據實施方式的圖1的具有MLA的光學系統的POD和照明元件的示意圖。
圖20和圖21是示出根據實施方式的眼睛中的調節(accommodation)變化對投影到瞳孔上的光束的影響的圖。
圖22是示出根據實施方式的圖2A至圖2C的示出形成時分複用光場圖像的光束的圖像投影元件的示意圖。
圖23是示出根據實施方式的圖3的示出形成時分複用光場圖像的光束的圖像投影元件的示意圖。
圖24是示出根據實施方式的時分複用光場圖像的圖。
圖25A至圖25C是示出根據實施方式的圖1的具有動態小平面結構的光學系統的圖像投影元件的示意圖。
圖26是示出根據實施方式的圖25的動態小平面結構的示意圖。
圖27A和圖27B是示出根據實施方式的圖1的具有可切換布拉格反射器(switchable Bragg reflector，SBR)的光學系統的圖像投影元件的示意圖。
圖28是示出根據實施方式的圖12的其中控制器還控制LOE的小平面的反射率和強度中的至少一個的光學系統的示意圖。
圖29是根據實施方式的用於具有時分複用光場成像的部分眼睛瞳孔照明和選擇性眼動箱(EMB)照明的示例過程的流程圖。
在諸如近眼顯示系統的光學系統中，光束從顯示系統輸出至非常接近顯示系統的目標表面(例如使用者的眼睛)。當投影圖像時，這樣的光學系統通常照射整個眼睛或眼睛的整個瞳孔。在一些情況下，眼睛或瞳孔的這樣的地毯式照射可能與光學投影系統的像差結合，從而降低了使用者所得到的圖像的品質。例如，當光束穿過眼睛的晶狀體並且聚焦到視網膜上時，圖像的一些部分可能變得模糊、變形或具有用戶所見的其他像差。
在一些實施方式中，所公開的光學系統被配置成通過選擇性地僅照射使用者看到良好品質圖像所需的瞳孔部分來減少或抑制這樣的像差。這樣的選擇性照射在本文中也稱為部分眼睛瞳孔照射。例如，與全眼照射相比，部分眼睛瞳孔照射可以有益於實現改善的圖像品質，並且可以利用較不複雜的光學系統。在一些實施方式中，部分眼睛瞳孔照射可以與投影圖像的位移結合以創建時分複用光場圖像，這可以提供對視覺輻輳調節衝突(vergence-accommodation conflict，VAC)問題的解決方案。當大腦接收到虛擬三維(three-dimensional，3D)物件的距離(有時稱為聚散度)與眼睛聚焦到虛擬3D物件所需的聚焦距離(有時稱為眼睛的適應性調節)之間的失配提示時，發生VAC。
在一些實施方式中，所公開的光學系統還或替選地被配置成一次僅照射眼動箱(EMB)的一部分(例如EMB中的眼睛瞳孔當前所在的部分)，在本文中也稱為選擇性EMB照射。與完整EMB照射相比，選擇性EMB照射可以在光學系統中提供增加的功率效率，因為通過部分EMB照射使圖像照射 分佈在較小的區域上。
部分眼睛瞳孔照射、時分複用光場成像和選擇性EMB照射可以單獨或一起使用，並且向可以被配置為近眼顯示系統的光學系統提供以上提及的和其他益處。
現在參照圖1和圖2A至圖2C描述示例光學系統100。光學系統100包括圖像投影元件110、控制器140和眼睛跟蹤系統160。眼睛跟蹤系統160可以是可選的，並且被配置成跟蹤使用者的眼睛180的瞳孔的位置，並且向控制器140提供相應的位置資訊。圖像投影元件110包括投影光學器件(POD)112和光導光學元件(LOE)114，並且被配置成利用二維(two-dimensional，2D)瞳孔擴展將圖像投影到使用者的眼睛180上。
POD 112包括圖像生成器、空間光調變器(SLM)304(圖10)或通常包括在圖像投影元件中的其他部件。可以將這些部件中的一些或全部佈置在一個或更多個偏振分束器(polarizing beam splitter，PBS)立方體或其他稜鏡裝置的表面上。圖像生成器包括提供諸如光束或雷射光束的照射的照明源，該照射與要投影到用戶的眼睛180上的圖像對應。示例照明源可以包括發光二極體(light emitting diode，LED)、微LED或其他照明源。
可以將SLM 304實現為包括諸如有機發光二極體(organic light emitting diode，OLED)顯示元件、背光液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)面板、微LED顯示器、數位光處理(digital light processing，DLP)晶片的部件或另一發光部件的發光SLM；或者可以將SLM 304實現為諸如矽基液晶(liquid crystal on silicon，LCOS)晶片的反射SLM。可以在準直光學器件與SLM 304之間插入分束器立方體塊，從而使得能夠將照射遞送至SLM 304的表面。
SLM 304被配置成調變照射的每個像素的投影強度以生成圖像。在一些實施方式中，SLM 304可以從顯示器的每個像素提供在LOE 114的平面(例如下面描述的主外表面116和118的平面)中發散的光束。在從LOE 114的反射光學裝置122反射之後，光束可以在LOE 114的平面中被準直。在一些實施方式中，光束可以在LOE 114的平面中被準直，但可以不在與LOE 114正交的平面中被準直。
替選地，POD 112可以包括諸如快速掃描鏡的掃描裝置，該掃描裝置跨POD 112的圖像平面掃描來自光源的照射，同時照射的強度與基於逐個像素的運動同步變化，以為每個像素投影期望強度。
POD 112還包括用於將圖像的照射注入LOE 114的耦入裝置，例如耦入反射器、成角度的耦合稜鏡或任何其他耦入裝置。在一些實施方式中，POD 112與LOE 114之間的耦合可以包括直接耦合，例如POD 112可以與LOE 114的一部分接觸；或者可以包括經由附加的孔徑擴展裝置的耦合，該附加的孔徑擴展裝置用於擴展在LOE 114的平面中注入圖像的孔徑的大小。
POD 112還包括可以用於限制照射的大小的孔徑或其他部件。例如，如圖2A所示，POD 112可以被配置成使用第一孔徑大小輸出光束126，使得光束126一旦被LOE 114的反射光學裝置122準直就具有寬度D，並且可以被配置成使用小於第一孔徑大小的第二孔徑大小輸出第二光束130，使得光束130一旦被LOE 114的反射光學裝置122準直就具有寬度d，寬度d小於寬度D。
LOE 114包括波導，該波導包括不具有光學活性的邊緣以及第一平行主外表面116和第二平行主外表面118，例如如圖2C所示。LOE 114還包括耦出裝置120和諸如透鏡的反射光學裝置122。反射光學裝置122被配置成將穿過LOE 114的照射往回朝著耦出裝置120進行重定向，同時還對照射進行準直，例如如圖2A所示。儘管上面將反射光學裝置122描述為反射透鏡，但是也可以替選地使用更廣範圍的其他透鏡類型和實現方式，包括但不限於球面、非球面或自由形式的由玻璃或塑膠形成的折射透鏡、繞射透鏡、菲涅耳透鏡、反射透鏡以及上述的任何組合。
耦出裝置120被配置成將從LOE 114出來的照射引向EMB 128，以投影到用戶的眼睛180上。在一些實施方式中，耦出裝置被示出為多個平行的部分反射表面(本文中也稱為小平面124)，小平面124以與LOE 114的主外表面116和118成傾斜角的方式佈置在LOE 114內。小平面124包括角度相關的塗層，塗層在某些角度提供高透射，並且在其他角度提供部分反射。
例如，通過反射離開主外表面116和118，光束126穿過LOE 114 朝向反射光學裝置122行進，如圖2C所示。光束126例如由於在行進角處的高透射而穿過小平面124行進到反射光學裝置122，並且反射光學裝置122對光束126進行反射、將光束126往回朝向小平面進行重定向並且將光束126準直為具有寬度D。在被反射光學裝置122反射之後，當準直光束126遇到小平面124時，光束126例如由於在光束126的行進角處的部分反射被小平面124朝向EMB 128重定向而具有寬度DEMB，寬度DEMB與EMB 128的寬度大約相同。
儘管本文中的描述涉及基於小平面的耦出裝置，但是可以替選地利用任何其他耦出裝置，包括例如具有繞射光學元件的耦出裝置。
反射光學裝置122可以具有柱面光焦度，該柱面光焦度通過主外表面116和主外表面118的內反射將照射的至少一部分沿面內方嚮往回朝向小平面124反射。從反射光學裝置122反射之後的照射在垂直於主外表面116和118的平面中以及在平行於主外表面116和118的平面中被準直。反射光學裝置122可以與LOE 114的邊緣集成，並且具有與LOE 114的主外表面116和主外表面118垂直的圓柱軸。在一些實施方式中，反射光學裝置122可以包括集成到LOE 114中的具有柱面焦度的繞射光學元件。
反射光學裝置122可以在與光傳播通過LOE 114時的照射對應的角度範圍內具有高反射率，並且在該範圍之外的角度處具有低反射率，例如透射或吸收。以這種方式，反射光學裝置122將由POD 112發射的通過全內反射在LOE 114中傳播的光進行反射，同時可以抑制來自任何其他光源的光的反射。例如，來自外界光源(例如太陽)的光將以低反射率範圍中的角度到達反射光學裝置122，並且從LOE 114反射離開或被吸收。以這種方式，將減小由外部光源引起的潛在重影圖像的強度。在一些實施方式中，使用例如提供選擇性性反射率和期望角度的多層塗覆技術、以取決於光的入射角的反射率形成反射光學裝置122。在另一實施方式中，可以利用在相對窄的角度範圍內具有高繞射效率的一個或更多個體積布拉格光柵來形成反射光學裝置122。
現在參照圖3，描述根據另一實施方式的示例圖像投影元件210。如圖3所示，類似的元件具有與圖1和圖2A至圖2C的圖像投影元件110類 似的圖式標記。例如，圖像投影元件210包括POD 212、LOE 214、主外表面(未示出)、耦出裝置220、小平面224以及類似於上述圖像投影元件110的部件的其他部件。圖像投影元件210被配置成利用一維(one-dimensional，1D)瞳孔擴展來將圖像投影到使用者的眼睛180上。在圖像投影元件210的實施方式中，POD 212在頂部附接至LOE 214，而不是使用反射光學裝置122將照射重定向回小平面224上。例如，從POD 212發射的照射傳播通過LOE 214，並且經由耦出裝置220的小平面224朝向EMB(未示出)逐漸射出。在該實施方式中，由POD 212輸出的照射在該照射進入LOE 214時已經被準直。
返回參照圖1，控制器140包括具有一個或更多個處理裝置、記憶體或其他部件的計算裝置。例如，控制器140可以包括中央處理單元(central processing unit，CPU)、現場可程式邏輯閘陣列(field-programmable gate array，FPGA)、微控制器、專用電路或任何其他部件。控制器140被配置成控制POD 112以生成圖像並且將圖像輸出至LOE 114以投影到用戶的眼睛180，如下面將更詳細地描述的。
在一些實施方式中，可以將控制器140集成到圖像投影元件110中或者集成到包括圖像投影元件110的裝置中，例如眼鏡、頭戴式顯示器或另一裝置。在一些實施方式中，控制器140可以位於遠離圖像投影元件110的位置。例如，圖像投影元件可以包括被配置成與控制器140通信的有線或無線通訊裝置。作為示例，控制器140可以被包括作為移動裝置或者與圖像投影元件110或包括圖像投影元件110的裝置分離的其他計算裝置的一部分。
眼睛跟蹤系統160包括一個或更多個眼睛跟蹤相機、雷射器或其他光學裝置，它們被配置成確定使用者的眼睛180的瞳孔182的位置，並且被配置成生成與該位置對應的位置資訊，例如座標或其他位置資訊。可以將位置資訊提供給控制器140，以用於控制POD 112生成圖像並且將圖像輸出至LOE 114。
現在參照圖2A至圖9C，現在將更詳細地描述和說明根據一些實施方式的部分眼睛瞳孔照射。
現在參照圖4，在示例場景中，理想透鏡400具有孔徑D0。透鏡400由平行光束402照射，其中波前不是完全平面的，而是包含一個或更多 個光學像差。在該示例場景中，透鏡400在位於透鏡400的焦平面處的螢幕404上的點P0處產生圖像。由於光束中存在像差，使圖像變得模糊並且具有尺寸d0。
現在參照圖5，在另一示例場景中，由相同的有像差光束402照射理想透鏡400。然而，在該示例場景中，將光闌406定位在透鏡400的前面，使得只有直徑為D1的子孔徑被光束402照射，其中D1小於D0。在該示例場景中，透鏡400在螢幕404上的點P1處產生圖像，該點P1通常可以不同於圖4的示例場景的點P0。圖像是模糊的並且具有尺寸d1，尺寸d1小於在圖4的示例場景中產生的圖像的圖像尺寸d0。
如在圖4和圖5的示例場景中看到的，減小透鏡400通過其暴露於光束402的孔徑的直徑可以改善圖像品質，只要所得到的幾何圖像尺寸d1大於孔徑的繞射極限。根據光束402中存在的像差的類型，圖像的位置基於被照射的子孔徑D1的位置而改變。
圖6A和圖6B示出了使用其中由光束134照射POD 112的全角度孔徑的圖像投影元件110的示例情形。準直光束134在從反射光學裝置122反射之後的寬度等於DEMB，即EMB 128的寬度。圖6B示出了用戶的眼睛180，其中具有大於眼睛180的瞳孔182的寬度DEP的寬度DEMB的準直光束134照射眼睛180，並且經由眼睛180的晶狀體184將圖像J0投影到眼睛180的視網膜186上。在該示例場景中，由於由瞳孔182收集的光束134的像差，投影到視網膜186上的所得到的圖像J1變得模糊並且具有尺寸s1。
圖7A和圖7B示出了使用根據示例實施方式的圖像投影元件110的示例場景，其中POD 112在LOE 114的平面中的角度孔徑的僅一部分被光束136照射。例如，POD 112中的選擇性照明系統(例如將在下面更詳細地描述的)可以用於僅照射POD 112的角度孔徑的一部分。在該示例場景中，POD 112在與LOE 114的主外表面116和118的平面成法向的平面中的角度孔徑可以被完全照射。準直光束136在從反射光學裝置122反射之後的寬度等於D2，D2小於瞳孔182的寬度DEP，使得準直光束136僅照射瞳孔182的一部分，如圖7B所示。準直光束136經由眼睛180的晶狀體184將圖像J2投影到視網膜186上。圖像J2在與圖像J1的位置不同的位置處投影在視網膜186上，圖像 J2是模糊的並且具有小於圖像J1的尺寸s1的尺寸s2。
圖8A和圖8B示出了使用根據示例實施方式的圖像投影元件110的示例場景，其中POD 112在LOE 114的平面中的角度孔徑的另一部分被光束138照射。例如，POD 112中的選擇性照明系統可以用於僅照射POD 112的角度孔徑的一部分，在該示例中，角度孔徑的被照射部分不同於圖7A和圖7B中所示並且由光束136照射的部分。與光束136一樣，POD 112在與LOE 114的主外表面116和118的平面成法向的平面中的角度孔徑可以被光束138完全照射。準直光束138在從反射光學裝置122反射之後的寬度等於D3，D3小於瞳孔182的寬度DEP，使得準直光束138僅照射瞳孔182的一部分，如圖8B所示。準直光束138經由眼睛180的晶狀體184將圖像J3投影到視網膜186上。圖像J3在與圖像J1和圖像J2二者的位置不同的位置處被投影在視網膜186上，圖像J3是模糊的並且具有小於圖像J1的尺寸s1的尺寸s3。
在每個示例場景中，可以將投影圖像在視網膜186上的位置J1、J2和J3限定為被照射位置的形心。以這樣的方式，圖6A至圖8B中投影圖像的位置J1、J2和J3被認為是不同的，即使投影圖像中的一個或更多個的一部分可能在視網膜186上交疊。
圖9A至圖9C示出了根據以上針對圖6A至圖8B描述的示例場景中的每一個場景的光學系統100的光學像差圖，該光學系統在LOE 114的端部處具有反射光學裝置122，例如柱面鏡。在圖9A至圖9C中，軸px是指瞳孔坐標軸並且與圖6A至圖8B中的軸X重合，軸ey是指作為瞳孔入射半徑的函數的橫向光線誤差，ac、bc和cc是指由反射光學裝置122產生的像差，af是指具有完全照射的角度孔徑的光束的寬度，並且bf和cf是指POD 112的子孔徑寬度。
圖9A示出了其中光束134照射瞳孔182的整個區域的圖6A和圖6B的示例場景的像差圖。如圖9A所示，與圖9B和圖9C所示的像差相比，由反射光學裝置122產生的像差ac相對較大。
圖9B示出了其中光束136照射瞳孔182的第一部分的圖7A和圖7B的示例場景的像差圖。如圖9B所示，像差bc在像差圖上形成第一虛線矩形，像差bc小於由對瞳孔182的完整照射產生的像差ac。
圖9C示出了其中光束138照射瞳孔182的第二部分的圖8A和圖8B的示例場景的像差圖。如圖9C所示，像差cc在像差圖上形成第二虛線矩形，像差cc小於由對瞳孔182的完整照射產生的像差ac。另外，如圖9B和圖9C所示，由光束136和光束138形成的像差的類型是不同的，其中，例如，與光束136的像差bc相比，光束138可以具有由於反射光學裝置122引起的減小的像差cc。
參照圖10至圖15，將描述根據各種實施方式的光學系統100和POD 112的示例光學架構和配置。每個實施方式中的POD 112包括照明系統300、投影光學器件302和SLM 304。這些實施方式中的選擇性眼睛瞳孔照射或選擇性EMB照射由照明系統300實現，POD 112將照明系統300用作2D擴展系統的LOE 114(圖2A至圖2C)或者1D擴展系統的LOE 214(圖3)的圖像生成器。投影光學器件302被配置成對來自SLM 304的像素的光束進行準直，使得每個像素生成準直光束，並且來自不同像素的準直光束沿不同方向傳播。投影光學器件302還被配置成將來自像素中的每一個的準直光束注入到LOE 114或LOE 214中。例如，在一些實施方式中，投影光學器件302可以包括單個透鏡，其中SLM 304位於透鏡的焦平面中。在其他實施方式中，投影光學器件302可以包括一個或更多個附加的或替選的光學元件，光學元件包括例如透鏡、反射鏡、波片、分束器稜鏡或其他光學元件。
圖10和圖11示出了根據實施方式的其中可以實現選擇性眼睛瞳孔照射或選擇性EMB照射的POD 112的示例配置。在該實施方式中，照明系統300包括位於諸如準直透鏡的光學裝置308的焦平面中的光源陣列306，例如LED或其他可選擇性地啟動的光源。儘管將光學裝置308描述為準直透鏡，但是可以使用更廣範圍的透鏡類型和實現方式，包括但不限於球面、非球面或自由形式的由玻璃或塑膠形成的折射透鏡、繞射透鏡、菲涅耳透鏡、反射透鏡以及上述的任何組合。
光源陣列306可以包括紅光源、綠光源和藍光源或被配置成生成紅、綠、藍或其他顏色的多色光源。光源被配置成以SLM 304的色序操作模式生成彩色圖像。儘管在圖10和圖11中將陣列306示出為具有特定數目的光源，但是陣列306可以替選地包括任何其他數目的光源。例如，可以在陣列 306中包括附加的光源以實現更平滑的EMB掃描。在一些實施方式中，可以在YZ平面中執行孔徑掃描，如圖10所示，而在XZ平面中可以照射POD 112的整個孔徑，如圖11所示。在一些實施方式中，照明系統300還可以包括可選的漫射器310，漫射器310擴展光束在XZ平面中的發散度，如圖11所示。在其他實施方式中，可以在光源中的每一個光源中使用柱面透鏡來代替漫射器310，以減小XY平面中的光束發散。
來自照明系統300的陣列306中的每個光源的輸出光束是經由投影光學器件302提供給SLM 304的準直或幾乎準直的照射。SLM 304處的準直光束的角度取決於陣列306中的哪個光源被啟動，並且由光源生成的照射的發散度取決於光源的尺寸並且取決於可選的漫射器310的散射角範圍。陣列306中的每個光源對應於POD 112的不同角度子孔徑，其中，例如，可以通過打開和關閉陣列306中的相應光源來實現對照射在POD 112的角度子孔徑之間進行切換。如圖10所示，例如，光源312和光源314分別生成光束316和光束318，光束316和光束318在被光學裝置308準直並且可選地被漫射器310散射之後被提供給SLM 304。如圖10所示，光束316和光束318分別照射POD 112的FOV A與FOV B之間的視場(field of view，FOV)區域。
圖12示出了使用以上針對圖10和圖11描述的POD 112的示例配置的光學系統100的示例實施方式。眼睛跟蹤系統160被配置成測量眼睛180的瞳孔182相對於LOE 114的位置，並且被配置成將該測量的位置作為位置資訊提供給控制器140。控制器140被配置成基於位置資訊來確定陣列306中的光源，該光源可以被開啟或以其他方式啟動以照射將把圖像投影到測量位置處的瞳孔182上或瞳孔182的子孔徑上的孔徑。在一些實施方式中，控制器140還被配置成計算或確定要施加到提供給SLM 304的圖像的任何變形，以補償由POD 112和反射光學裝置122或LOE 114的其他部件引起的圖像的任何像差。
施加到提供給SLM 304的圖像的變形可以例如取決於陣列306中的哪個光源被啟動、瞳孔182的位置、EMB的哪個部分被照射，或者取決於任何其他標準。對於相同的FOV，圖像在視網膜186上的位置可以是不同的，這例如取決於瞳孔182觀察到哪個子孔徑，例如如圖7A至圖8B所示。 因為投影圖像在視網膜上的位置對於每個子孔徑是不同的，所以由控制器140施加到SLM 304處的圖像的變形的類型和量可以取決於POD 112的哪個子孔徑或相應的光源被啟動。通過基於哪個子孔徑或光源被啟動並且在一些實施方式中根據圖像將被投影到的視網膜186上的位置而向圖像施加變形，可以使從每個子孔徑或光源投影到視網膜186上的圖像對準，使得使用者看到相同或近似相同的圖像，而不管哪個子孔徑或光源被啟動以提供圖像。例如，可以由控制器140同步對SLM 304和光源陣列306的控制，以使得能夠基於由眼睛跟蹤系統160跟蹤的瞳孔182的位置實現在光源之間的快速切換。通過使對SLM 304和光源陣列306的控制同步，可以投影校正了像差的圖像，而不管瞳孔182的位置的變化或由控制器140啟動的光源的相應變化如何。
現在參照圖13A至圖13D，現在將描述用於基於陣列306的哪些光源被啟動來確定將由SLM 304施加到光束的圖像變形的示例過程。示例過程可以用於單個FOV點或用於FOV的小的局部區域。
參照圖13D，現在將描述用於操作光學系統100的示例過程。可以至少部分地由控制器140、眼睛跟蹤系統160和POD 112來執行該過程，或者可以至少部分地由光學系統100的其他部分來執行該過程。圖13D的過程包括步驟500至步驟508。儘管將圖13D的過程在本文中描述為具有特定步驟或步驟的特定順序，但該過程可以替選地以任何循序執行步驟，該過程可以包括附加的步驟，可以包括較少步驟或者可以僅執行下面在其他實施方式中描述的步驟的一部分。
在步驟500處，眼睛跟蹤系統160定位瞳孔182在EMB 128內的位置，例如，如圖13A所示。作為示例，眼睛跟蹤系統160可以利用一個或更多個眼睛跟蹤相機或其他光學元件來定位瞳孔182的位置。眼睛跟蹤系統160向控制器140提供與所確定位置對應的位置資訊，例如座標或其他資訊。
在步驟502處，控制器140確定陣列306中可以被啟動以將圖像投影到瞳孔182的一部分上的光源。例如，控制器140可以維護指示哪個光源對應於EMB 128的每個部分的EMB 128的座標圖。控制器140可以至少部分地基於位置資訊與座標圖之間的比較來選擇要啟動的光源，例如，通過確定瞳孔182相對於EMB 128的位置並且基於座標圖識別相應的光源。在一些實 施方式中，控制器140被配置成針對來自光源陣列306的每個光源來識別將針對每個FOV點或小的FOV局部區域照射EMB 128的哪個區域。給定瞳孔182的位置和要投影的FOV點，控制器140可以識別要打開的光源。例如，如圖13A所示，這樣的光源生成光束142，光束142照射與瞳孔182相交的區域。在圖13A中，座標(x0,z0)對應於瞳孔182內的被照射區域的中心。
在步驟504處，控制器140至少部分地基於所選擇的光源來確定將哪些變形施加到SLM 304處的圖像。在一些實施方式中，例如在可以利用多個光源來照射相同的位置但是其中光束具有不同準直角度的情況下，還或替選地可以至少部分地基於位置資訊來確定變形。
圖13B和圖13C示出了具有反射光學裝置122的光學系統100的像差曲線，類似於圖9A至圖9C所示的曲線。圖13A和13B中的像差曲線示出了與使用者的視網膜186處的給定FOV點對應的光線的位置ex和ey，其取決於光線在出瞳(例如EMB 128)處沿x軸的位置。假定標稱圖像對應於穿過出瞳中心的光線，圖13B和圖13C中的距離dy和dx分別給出圖像沿y軸和x軸的局部位移。可以將等於dx和dy的變形施加到通過由光束142與瞳孔182的相交部限定的子孔徑投影的圖像。
在一些實施方式中，控制器140可以例如使用查閱資料表來確定要施加的變形，該查閱資料表具有基於目標位置和要啟動的光源的預定義變形值。例如，可以使用多種技術來生成查閱資料表，這些技術包括例如使用反演方法以基於投影在眼睛180或眼睛的表示上的所得到的圖像來調整變形，通過對像差和潛在變形進行模擬或建模，或採用任何其他方式。在一些實施方式中，對於RGB光源中的每一個，照射光束孔徑可能略微不同。在這種情況下，控制器140還可以在對紅色圖像、綠色圖像和藍色圖像施加變形時考慮這些差異，以校正孔徑的這樣的小差異並且校正投影光學器件的可能色度變形，例如橫向色差(lateral color)。
在步驟506處，控制器140啟動所選擇的光源以輸出圖像。
在步驟508處，控制器140在將圖像提供給LOE 114之前，向SLM 304提供所確定的要施加到圖像的變形。然後，由LOE 114將圖像投影到瞳孔182的一部分上，並且該過程返回至步驟500，並且針對圖像的每一幀 繼續。以這種方式，考慮瞳孔182的位置的改變，啟動相應的光源，並且施加適當的變形以生成具有盡可能少的變形的圖像。
在一些實施方式中，控制器140被配置成順序地啟動陣列306中的每個光源以執行全EMB掃描，其中可以針對每個光源確定變形並且將變形施加到SLM 304處的圖像。作為示例，在眼睛跟蹤系統160不存在或不可用並且瞳孔182的位置未知的情況下，可以利用這樣的順序啟動來將圖像快速呈現到EMB 128的每個部分並且確保將至少一個變形校正圖像投影到瞳孔182的位置上。
圖14和圖15示出了根據另一實施方式的其中可以實現選擇性的眼睛瞳孔照射或選擇性的EMB照射POD 112的示例配置。在該實施方式中，照明系統600代替POD 112中的照明系統300。照明系統600包括：與光源陣列306類似的光源陣列606、第一光學裝置608、第一微透鏡陣列(micro-lens array，MLA)610、第二微透鏡陣列612和第二光學裝置614。
第一光學裝置608和第二光學裝置614可以包括可以用於對圖像的光束進行準直的透鏡，例如菲涅耳透鏡或繞射透鏡。儘管上面將第一光學裝置608和第二光學裝置614描述為包括特定類型的透鏡或光學部件，但是可以替選地使用更廣範圍的其他透鏡類型或光學部件和實現方式，包括但不限於球面、非球面或自由形式的由玻璃或塑膠形成的折射透鏡、繞射透鏡、菲涅耳透鏡、反射透鏡以及上述的任何組合。
第一MLA 610和第二MLA 612各自包括可以用作單個元件的透鏡陣列。在一些實施方式中，第一MLA 610和第二MLA 612的透鏡可以包括折射透鏡。在一些實施方式中，可以在第一MLA 610與第二MLA 612之間插入擋板裝置(未示出)以減少準直光學器件之間的串擾。儘管上面將第一MLA 610和第二MLA 612描述為包括特定類型的透鏡或光學部件，但是可以使用更廣範圍的其他透鏡類型或光學部件和實現方式，包括但不限於球面、非球面或自由形式的由玻璃或塑膠形成的折射透鏡、繞射透鏡、菲涅耳透鏡、反射透鏡以及上述的任何組合。
第一光學裝置608和第一MLA 610中的每個透鏡一起被配置成在第二MLA 612的平面處創建光源陣列606的圖像。第二MLA 612和第二光 學裝置614一起被配置成在SLM 304的平面處生成第一MLA 610的每個小透鏡元件的圖像。在示例配置中，光源陣列606位於光學裝置608的焦平面中，第二MLA 612位於第一MLA 610的焦平面中，並且SLM 304位於光學裝置614的焦平面中。通過以協調且定時的方式接通和斷開陣列606中的光源來實現對EMB 128的選擇性照射，使得僅EMB 128的目標部分和瞳孔182的相應部分被照射。例如，如圖14和圖15所看到的，可以通過例如在不同時間選擇性地啟動光源620和光源622來生成圖像的光束616和光束618。光束616和光束618行進通過第一光學裝置608、通過第一MLA 610的一個或更多個透鏡、通過第二MLA 612的一個或更多個透鏡、以及通過第二光學裝置614，並且經由投影光學器件302從照明系統600作為準直光束輸出至SLM 304的FOV A和FOV B。然後，SLM 304向光束616和光束618的圖像施加變形，並且將光束616和光束618輸出至LOE 114，以便以與上面針對圖13的過程描述的方式類似的方式投影到瞳孔182。
參照圖16A和圖16B，現在將分別描述根據一些實施方式的圖像投影元件710的YZ平面和XZ平面中的示意圖。圖像投影元件710可以包括與上面針對圖像投影元件110描述的部件類似的部件，其中這樣的部件具有類似的圖式標記。例如，圖像投影元件710包括POD 712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的耦出裝置720、以及與LOE 114的部件類似的反射光學裝置722。
圖像投影元件710還包括位於POD 712與LOE 714之間的楔750。楔750被配置成減少圖9A至圖9C所示的柱面鏡的像差。光束726經由楔750從POD 712耦合至LOE 714中，並且波導孔徑光闌位於楔750之後。在一些實施方式中，楔750的表面752和754可以可選地具有一維或二維的光焦度，以補償POD 712的光學像差並且改善圖像品質。LOE 714還包括平行於主外表面716和主外表面718的混合器756，例如半反射平面。在一些場景中，例如，POD 712的輸出光束726可能沒有完全填充LOE 714。使用混合器756將光束726分佈在LOE 714的整個孔徑上。在一些實施方式中，混合器756可以位於LOE 714內在楔750與耦出裝置720之間，例如，如圖16A所示。在其他實施方式中，混合器756可以位於LOE 714內在耦出裝置720與反射 光學裝置722之間。反射光學裝置722還可以包括設置在耦出裝置720與反射光學裝置722之間的波片723，例如四分之一波片。在混合器756位於耦出裝置720與反射光學裝置722之間的實施方式中，光束在被耦出裝置720從LOE 714引導向EMB或瞳孔之前將穿過混合器756兩次。在這樣的情況下，與混合器756位於楔750與耦出裝置720之間的實施方式相比，混合器756可以沿z方向具有較短的長度。
圖像投影元件710還可以包括設置在LOE 714與楔750之間的偏振器725。在一些實施方式中，耦出裝置720包括諸如小平面724的表面，表面對於一個偏振(例如，偏振(s))是部分反射的，但對於正交偏振(例如，偏振(p))基本上是透明的。如果從POD 712輸出的輸入光束726是p偏振的，則輸入光束726將朝向反射光學裝置722傳播而不被耦出裝置720耦出。在從反射光學裝置722反射並且穿過波片723之後，光變成s偏振的並且當從反射光學裝置722往回朝向POD 712傳播時，通過耦出裝置720從LOE 714耦出。偏振器725被配置成阻止往回傳播的光束進入POD 712。
在一些實施方式中，LOE 714還可以包括設置在LOE 714的主外表面716和主外表面718上的可選蓋板727。蓋板727使耦出裝置720在與波導主表面成法向的方向上的厚度小於LOE 714的總厚度。LOE 714還可以包括平行於LOE 714的主外表面716和718設置的可選偏振器(未示出)，偏振器被配置成抑制p偏振光的通過。例如，這樣的可選偏振器(未示出)可以設置在LOE 714的前面，例如設置在圖16A中的LOE 714的左側，該偏振器被配置成抑制由耦出裝置720從LOE 714耦出到外界的光束。另一可選的偏振器(未示出)可以設置在LOE 714的後面，例如設置在圖16A中的LOE 714的右側，該偏振器被配置成抑制由耦出裝置720耦出並且由左主外表面716朝向用戶反射的光束。
POD 712的照明系統800在圖16A中示意性地示出，並且在圖16B中更詳細地示出。照明系統800包括光源陣列802、設置在稜鏡裝置804與稜鏡裝置806之間的偏振分束器、四分之一波片808和準直光學裝置810(例如反射透鏡或反射鏡)。由陣列802中的光源發射的光束在從光學裝置810反射之後變得準直，並且被注入LOE 812(例如，波導)中，LOE 812具有用於 朝向POD 712的稜鏡816提取光的一組半反射小平面814和兩個平行的主要平面表面。POD 712還可以包括在LOE 812與POD 712的稜鏡816之間的可選漫射器818。照明系統800還可以包括在稜鏡804和稜鏡806與LOE 812之間的可選漫射器(未示出)。從稜鏡804和稜鏡806耦出到LOE 812的光束借助於全內反射傳播通過LOE 812，並且通過小平面814從LOE 812朝向POD 712的可選漫射器818和稜鏡816耦出。光束在照明系統800中傳播的示例路徑如圖16B中的箭頭所示。
如圖16A所示，從照明系統800接收的光束進入稜鏡816並且被重定向到SLM 820。偏振分束器822可以設置在POD 712的稜鏡816與另一稜鏡824之間。SLM 820可以類似於SLM 304，並且被配置成由控制器140控制。在該實施方式中，可以將SLM 820實現為以上參照SLM 304描述的反射SLM或發光SLM。
照明光束由SLM 820例如以與上面針對SLM 304描述的方式類似的方式進行調變，並且穿過偏振分束器822和稜鏡824被朝向POD 712的反射光學裝置826進行引導。然後，由反射光學裝置826反射的光束被稜鏡824朝向楔750進行引導。
圖16C示出了根據另一實施方式的可以與POD 712和LOE 714一起使用的照明系統900。在該實施方式中，照明系統900代替圖16B的照明系統800。照明系統900包括光源陣列902以及包括光學元件904的成像系統。光學元件904可以包括折射透鏡、菲涅耳透鏡、繞射或相位透鏡，例如Pancharatnam-Berry透鏡，或任何組合的任何其他類型的透鏡。由陣列902中的源發射的光束在穿過光學元件904之後被準直，並且通過稜鏡908注入到LOE 906中。光借助於全內反射在LOE 906中傳播，並且被半反射小平面910引導到POD 712的稜鏡816中。由圖16C中的箭頭示出照明系統900中的光傳播路徑。類似於照明系統800，例如在LOE 906與稜鏡816之間以及在光學元件904與稜鏡908之間還可以包括可選的漫射器(未示出)。
圖17和圖18A至圖18C示出了其中SLM 304(圖10)的兩個像素將來自照明系統300(圖10)的光束反射成兩個光束1000和光束1002的圖像投影元件110的實施方式。光束1000和光束1002對應於FOV中的兩 個不同點、分別對應於FOV A和FOV B，但也對應於由主動照明系統光源限定的POD 112的相同角度子孔徑。光束1000和光束1002由耦出裝置120的小平面124擴展並且投影到EMB 128上。
圖18A至圖18C示出了其中將不同FOV的光束1000和光束1002投影到EMB 128和眼睛180(圖6B)的瞳孔182(圖6B)上的示例場景。在圖18A至圖18C中，將光束1000和光束1002示出為虛線，將瞳孔182的位置示出為圓圈。
參照圖18A，描述了其中示出了瞳孔的兩個可能位置1004和位置1006的示例場景。在位置1004，光束1000和光束1002二者照射瞳孔，向使用者顯示FOV A和FOV B。在位置1006，僅光束1000照射瞳孔，僅向使用者顯示FOV A。圖18A的示例場景示出了可以照射POD 112的不同子孔徑以使特定FOV對瞳孔可見。例如，為了使FOV B對位置1006的瞳孔可見，可以照射POD 112的不同子孔徑。
參照圖18B，描述了其中示出了EMB 128處的光束1008(FOV A)和光束1010(FOV B)的投影的另一示例場景，光束1008(FOV A)和光束1010(FOV B)與POD 112的被照射的不同子孔徑對應。在該示例場景中，示出了瞳孔的相同的兩個可能位置1004和1006。在位置1004，光束1008和光束1010二者照射瞳孔，向使用者顯示FOV A和FOV B二者，儘管光束1008僅部分地照射位置1004處的瞳孔182。在位置1006，僅光束1010照射瞳孔，向使用者顯示FOV B。為了使FOV B對位置1006的瞳孔是可見的，可以照射POD 112的不同子孔徑。
在圖18A和圖18B二者的示例場景中，當瞳孔處於位置1006時，不能看到FOV A或FOV B。在一些實施方式中，控制器140(圖1)被配置成通過以確保當瞳孔位於EMB 128上的特定位置時整組FOV將對使用者的眼睛可見的方式順序地打開和關閉陣列306中的一個或更多個光源來解決該問題。
參照圖18C，描述了其中示出了EMB 128處的光束1012(FOV A)和光束1014(FOV B)的投影的另一示例場景，光束1012(FOV A)和光束1014(FOV B)與被照射的POD 112的不同子孔徑對應。在該示例場景 中，示出了瞳孔的相同的兩個可能位置1004和1006。在位置1004，光束1012和光束1014二者照射瞳孔，向使用者顯示FOV A和FOV B二者。在位置1006，整個光束1014照射瞳孔，向使用者顯示FOV B，但僅部分光束1012照射瞳孔。這樣的部分照射可能導致由於例如瞳孔邊緣處的繞射而引起的FOV A的圖像的退化。在一些實施方式中，控制器140可以被配置成在瞳孔處於位置1006的同時照射POD 112的該特定子孔徑時命令SLM 304投影FOV B而不投影FOV A，以抑制FOV A的退化圖像的投影。替代地，可以通過順序啟動POD 112的另一子孔徑或光源來將FOV A投影在相同位置1006。
參照圖19A至圖19C，現在將描述根據另一實施方式的照明系統1100。照明系統1100例如可以代替如圖10所示的POD 112的照明系統300，代替如圖14所示的POD112的照明系統600，代替如圖16A和圖16B所示的POD 712的照明系統800，代替如圖16C所示的POD 712的照明系統900，或者可以與任何其他POD一起使用。照明系統1100可以包括與在照明系統300、照明系統600、照明系統800和照明系統900中的任何一個中找到的部件類似的部件。
在圖19A中，對應於POD 712的圖式標記將與對照明系統1100的描述一起使用。例如，如以上提及的，POD 712包括稜鏡816和稜鏡824、SLM 820、偏振分束器822、反射光學裝置826和可選的漫射器828，所有這些都可以在從照明系統1100接收光束之後如上面參照圖16A和圖16B所述的那樣起作用。
如圖19A至圖19C所示，照明系統1100包括MLA 1102和光源矩陣1104，例如微LED顯示器或其他光源裝置。將從照明系統1100輸出的光束提供給稜鏡816。如圖19B所示，MLA 1102中的每個微透鏡對來自其相應光源的光進行準直。準直照射的方向或角度可以根據光源矩陣1104中的哪些源被啟動而隨微透鏡不同而鏡變化。例如，當光源1106被啟動時，光束1108被微透鏡1110準直，並且以第一方向或角度輸出，而當光源1112被啟動時，光束1114被同一微透鏡1110準直，但以第二方向或角度輸出，第二方向或角度不同於第一方向或角度。MLA 1102和光源矩陣1104的配置使得控制器140能夠針對SLM 820的不同區域呈現不同的照射角度。在另一實施方式中，可 以使用微鏡陣列(未示出)來代替MLA 1102。
現在參照圖20至圖29，公開了其中可以將上述光學系統100的各種實施方式配置用於投影時分複用光場圖像的實施方式。
參照圖20和圖21，現在將分別描述當晶狀體184聚焦在無限遠或有限距離處時眼睛180的功能。
如圖20所看到的，眼睛180的晶狀體184聚焦在無限遠，並且瞳孔182由兩個光束(光束1200和光束1202)照射，這兩個光束分別在視網膜186處產生圖像P2和P3。圖21示出了聚焦在有限距離而不是無限遠的眼睛180的晶狀體184，其中晶狀體184具有較短的焦距。由於圖21中晶狀體184的較短焦距，圖像P2和P3會聚成單個圖像。當圖像P2和P3通過小的子孔徑投影到瞳孔182上時，當眼睛180的晶狀體184的焦距改變時，圖像P2和圖像P3的模糊較小。
圖22和圖23示出了圖像投影元件110和圖像投影元件210的實施方式，圖像投影元件110和圖像投影元件210將與FOV中的不同點和POD 112和POD 212的不同角度子孔徑對應的光束1300和1302投影到EMB 128上，從而照射如圖20和圖21所示的瞳孔182的不同區域。儘管圖像投影元件110和圖像投影元件210被示出為具有特定的部件，但是圖像投影元件110和圖像投影元件210中的每一個都可以包括LOE、POD、照明系統的任何部件或者在本文中描述的各種實施方式中發現的光學系統100的其他部分。
現在參照圖24，在一些實施方式中，控制器140被配置成將單個圖像的投影分成多個幀(例如幀1、幀2……幀n)，並且被配置成依次將每個幀投影到用戶的眼睛180。該實施方式中的控制器140被配置成移動圖像13001、13002……1300n在每個相繼幀1、2……n中的位置，使得相繼幀1至幀n的圖像13001、13002……1300n中的物件相對於前一幀稍微移位，如圖24所示。控制器140被配置成高速連續地一次一個地投影幀，並且在一些實施方式中，可以通過啟動陣列306中的不同光源，使用POD 112的不同的子孔徑來投影一個或更多個移位的幀。如圖24中所看到的，例如，幀n的圖像1300n相對於幀1的圖像13001移位元距離e。以這種方式，控制器140可以使用圖像的幀的時分複用投影來模擬一維光場。
在一些情況下，上述時分複用光場投影僅在一維中創建，例如沿著圖22中的軸X。沿著軸Z，圖像的光束是寬的，並且由於小平面124的瞳孔擴展而照射眼睛在Z方向上的整個孔徑。因此，僅當眼睛聚焦在無限遠時，Z方向上的圖像是清晰的，並且當眼睛的調節改變成有限焦距時，圖像在Z方向上變得模糊。
參照圖25A至圖25C，示出了其中可以克服諸如上述的時分複用光場投影在Z方向上的模糊的圖像投影元件210的實施方式。例如，可以限制光束1400在Z方向上的孔徑，例如，通過動態地增加或減少小平面224中的一些的反射率和強度中的至少一個，例如，動態地使小平面更具反射性或更具透明性。作為示例，在圖25A至圖25C所示的實施方式中，LOE 214的小平面224的反射率和強度中的一個或兩個被配置成被動態地調整。儘管參照圖像投影元件210進行了描述，但是在其他實施方式中，可以替選地使用圖像投影元件110。
儘管由於照明系統(例如，照明系統300、照明系統600、照明系統800和照明系統900中的任何一個或本文所述的其他部件)而限制了X維度上的光束1400的尺寸，但在Z方向上，光束1400通過來自小平面1402、小平面1404、小平面1406和小平面1408的反射來照射整個EMB 128，如圖25B所示。在圖25B所示的示例中，來自小平面1404和小平面1406的反射照射EMB 128中的特定位置處的瞳孔182，而來自其他小平面(例如小平面1402、小平面1408及其他)的反射不照射EMB 128中的特定位置處的瞳孔182。如圖25C所示，如果小平面1406變成透明的(非反射的)，則在Z方向上僅瞳孔182的一部分被照射。通過動態地調整每個小平面的反射率和強度中的一個或兩個，對於瞳孔182的任何位置以及眼睛180的晶狀體184的任何調節，視網膜186上的點的圖像可以在Z方向上變得清晰。
現在參照圖26，示出了根據一些實施方式的用於控制小平面1502的反射率和強度中的一個或兩個的動態小平面結構1500。小平面1502可以是對於p偏振是高度透射的，並且對於s偏振是部分反射的。動態小平面結構1500包括設置在液晶層1504與液晶層1506之間的小平面1502。在一些實施方式中，液晶層1504和液晶層1506是平行的，並且可以平行於小平面 1502。液晶層1504和液晶層1506中的每一個中的液晶的狀態由施加到該層的電壓控制，例如由控制器140(圖1)控制。在“接通”狀態下，每個液晶層1504和液晶層1506的液晶作為將光束1400的偏振旋轉90度的半波片工作。在“關閉”狀態，光束1400的偏振狀態在穿過液晶的層之後不改變。
在該實施方式中，如以上提及的，在LOE 214中傳播的光束1400是s偏振的，並且小平面1502對於p偏振是高度透射的並且對於s偏振是部分反射的。在其他實施方式中，在LOE 214中傳播的光束1400可以是p偏振的，並且小平面1502可以是對於s偏振是高度透射的並且對於p偏振是部分反射的。
當液晶層1504和液晶層1506處於“關閉”狀態時，光束1400遇到小平面1502時的偏振是s偏振，並且小平面1502對於光束1400是部分反射的，例如，如圖25C中的小平面1404所示。當液晶層1504和液晶層1506處於“接通”狀態時，光束偏振在小平面1502處為p偏振，並且小平面1502對於光束1400是透明的，例如，如圖25C中的小平面1406所示。
注意，因為在小平面1502的任一側上設置有液晶層，例如設置在小平面1502的一側上的液晶層1504以及設置在小平面1502的另一側上的液晶層1506，所以當處於“接通”狀態時，光束1400的偏振將在穿過液晶層1504之後從遇到動態小平面結構1500之前的s偏振改變為p偏振。光束1400將在具有p偏振的同時遇到小平面1502，並且由於小平面1502在p偏振處的高透射率而穿過。然後，光束1400將在小平面1502的另一側遇到液晶層1506，並且從p偏振變回s偏振。然後，光束1400離開動態小平面結構1500，同時具有s偏振。以這種方式，每個動態小平面結構1500可以由控制器140(圖1)獨立地控制，以反射或透射光束1400，而不影響光束1400針對其他小平面中的任何一個的偏振。
在另一實施方式中，可以替選地使用電可切換的布拉格反射器來動態地控制小平面224的反射率和強度中的一個或兩個。例如，在一些實施方式中，耦出裝置220的小平面224中的每一個可以包括電可切換的布拉格反射器，布拉格反射器的反射率、強度或二者可以由控制器140電控制。
現在參照圖27A和圖27B，現在將描述根據一些實施方式的圖 像投影元件1610。圖像投影元件包括POD 1612，POD 1612可以包括與POD 112、POD 212或本文公開的任何其他POD類似的部件和功能。圖像投影元件包括LOE 1614，LOE 1614可以包括至少一些與LOE 114、LOE 214或本文公開的任何其他LOE類似的部件和功能，除了下面更詳細地描述的。POD 1612被配置成將光束1626輸出至LOE 1614，該光束被耦出裝置1620引導至EMB 128和瞳孔182。
在圖27A和圖27B的實施方式中，耦出裝置1620包括設置在LOE 1614的主外表面1616或主外表面1618之一上的可切換布拉格反射器(switchable Bragg reflector，SBR)1624，例如，如圖27A和圖27B所示。例如，在一些實施方式中，SBR 1624可以集成到主外表面1616中。當處於“接通”狀態時，SBR 1624被配置成將光束1626朝向EMB 128中的瞳孔182的位置反射。當處於“關閉”狀態時，SBR 1624提供全內反射，使得光束1626在波導內傳播。在一些實施方式中，將SBR 1624分成多個可選擇性地啟動的區域，例如包括可以由控制器140獨立地控制的區域1628。通過“接通”SBR 1624的選定區域，可以照射瞳孔182的目標部分，例如，如關於圖27B中的選定區域1628所示。在另一實施方式中，可以替選地使用透射式可切換光柵來代替SBR 1624。
參照圖28，現在將描述其中控制器140還被配置成控制動態小平面結構1500或SBR 1624的具有2D光場投影的光學系統100的實施方式。例如，眼睛跟蹤系統160確定瞳孔182相對於LOE 114的位置，並且將該位置作為位置資訊提供給控制器140。控制器140使用位置資訊來確定陣列306中的可以被啟動以將圖像投影到所確定的位置處的瞳孔182上的一個或多個光源，並且控制器140確定要由SLM 304施加到圖像的變形，以補償如上所述由於圖2A至圖2C的2D擴展系統中的POD 112和反射光學裝置122或圖3的1D擴展系統中的POD 212的像差而引起的視網膜186上的圖像移動。
在該實施方式中，控制器140還被配置成由於眼睛180的晶狀體184的調節的改變而確定選擇LOE 114中的小平面124中的哪個小平面來將其設置為“接通”狀態(半反射)和“關閉”狀態(透射)，以增強Z方向上的圖像清晰度，例如如上所述。例如，為了投影位於無限遠處的物件的圖像， 只需要投影單個圖像。然而，為了投影位於有限距離處的物件的圖像，需要投影多個圖像，例如，如上面參照圖20至圖24說明的。
在一個示例場景中，投影位於距使用者有限距離處的物件的圖像。對於瞳孔182的給定位置，通過瞳孔182的不同子孔徑投影多個圖像(例如，2個圖像、3個圖像……100個圖像或更多個圖像)。針對每個子孔徑投影，對圖像進行兩次變形。第一變形被配置成補償由像差(例如圖13A至圖13C中所示的像差)引起的變形。第二變形被配置成移動圖像以創建光場，例如，如圖20和圖21所示
參照圖29，現在將描述用於操作圖28的光學系統100的示例過程，該過程包括對可選擇性地啟動的小平面124的控制。可以至少部分地由控制器140、眼睛跟蹤系統160、POD 112和LOE 114來執行該過程，或者可以至少部分地由光學系統100的其他部分來執行該過程。
圖29的過程包括步驟1700至步驟1712。儘管在本文中將圖29的過程描述為具有特定步驟或步驟的特定順序，但在其他實施方式中過程可以替選地以任何循序執行步驟，可以包括附加的步驟，可以包括較少步驟或可以僅執行下面描述的步驟的一部分。
在步驟1700處，眼睛跟蹤系統160例如使用一個或更多個眼睛跟蹤相機或其他光學元件確定瞳孔182的位置，並且向控制器140提供與所確定的位置對應的位置資訊，例如座標或其他資訊。
在步驟1702處，控制器140確定陣列306中可以被啟動以將圖像投影到瞳孔182的一部分上的光源。例如，控制器140可以維護指示哪個光源與EMB 128的每個部分對應的EMB 128的座標圖。控制器140可以至少部分地基於位置資訊與座標圖之間的比較--例如，通過確定瞳孔182相對於EMB 128的位置並且基於座標圖識別相應的光源--來選擇要啟動的光源。
在步驟1704處，控制器140確定需要將小平面124中的哪一個小平面設置為“接通”狀態以及需要將小平面124中的哪一個小平面設置為“關閉”狀態，例如，如上所述。
在步驟1706處，控制器140至少部分地基於所識別的要啟動的光源來確定將哪些變形施加到SLM 304處的圖像。在一些實施方式中，例如 在可以利用多個光源來照射相同的位置但是其中光束具有不同準直角度的情況下，也或替選地可以至少部分地基於位置資訊來確定變形。在一些實施方式中，控制器140可以以與以上針對圖13的步驟504描述的方式類似的方式或以任何其他方式確定要施加的變形。
在步驟1708處，控制器140將適當的控制信號施加到小平面124，以將小平面124設置為所確定的“接通”或“關閉”狀態。
在步驟1710處，控制器140啟動所識別的光源以輸出圖像。
在步驟1712處，控制器140在將圖像提供給LOE 114之前，向SLM 304提供要施加到圖像的所確定的變形。然後，通過LOE 114的被設置為“接通”狀態的小平面124將圖像投影到瞳孔182的一部分上，並且該過程返回到步驟1700，並且針對圖像的每一幀繼續。以這種方式，考慮了瞳孔182的位置的變化，減輕了眼睛180的調節的變化對圖像清晰度的影響，啟動了相應的光源，並且施加了適當的變形以生成具有盡可能少變形的圖像。
本文中使用的術語僅出於描述特定實施方式的目的，並且並不旨在限制本發明。如本文中所使用的，單數形式“一(a)”、“一個(an)”和“該(the)”也旨在包括複數形式，除非上下文另有明確指示。還將理解的是，當在本說明書中使用術語“包括”和/或“包含”時，其指定了所述特徵、整數、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但並不排除存在或添加一個或更多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、部件和/或它們的組。
所附申請專利範圍中的所有裝置或步驟加功能元件(如果有的話)的相應結構、材料、動作和等同物旨在包括用於與具體要求保護的其他要求保護的元件結合執行功能的任何結構、材料或動作。已經出於說明和描述的目的呈現了本發明的所公開的實施方式，但是這並不旨在是窮盡的或者限於所公開的形式的發明。在不背離本發明的範圍和精神的情況下，許多修改和變化對於本領域的普通技術人員將是明顯的。選擇和描述這些實施方式是為了最好地說明本發明的原理和實際應用，並且使得本領域的其他普通技術人員能夠理解本發明的具有適合於所考慮的特定用途的各種修改的各種實施方式。
100:光學系統
110:圖像投影元件
112:投影光學器件(POD)
114:光導光學元件(LOE)
120:耦出裝置
122:反射光學裝置
124:小平面
140:控制器
160:眼睛跟蹤系統
180:眼睛

Claims (20)

  1. 一種裝置，包括至少一個處理器，所述至少一個處理器被配置成：
    至少部分地基於眼睛的瞳孔相對於眼動箱的位置從多個光源中選擇光源，所選擇的光源被配置成利用光束照射所述眼動箱的與所述瞳孔的位置對應的部分；以及
    啟動所選擇的光源以照射所述眼動箱的所述部分。
  2. 如請求項1所述的裝置，其中，所選擇的光源被配置成利用所述光束照射所述眼動箱的僅與所述瞳孔的一部分對應的部分。
  3. 如請求項1所述的裝置，其中，所述至少一個處理器被配置成：
    至少部分地基於所選擇的光源來確定要施加到所述光束的變形；以及
    至少部分地基於所確定的變形引起對所述光束的修改。
  4. 如請求項3所述的裝置，其中，至少部分地基於所選擇的光源來確定要施加到所述光束的變形包括：針對由準直器引起的像差來確定對所述光束的校正。
  5. 如請求項3所述的裝置，其中，至少部分地基於所確定的變形來引起對所述光束的修改包括：使空間光調變器至少部分地基於所確定的變形來修改所述光束。
  6. 如請求項1所述的裝置，其中：
    所述光束至少部分地基於耦出裝置的多個元件來照射所述眼動箱的所述部分，所述元件中的每一個元件的反射率和強度中的至少一個能夠在至少兩個狀態之間被選擇性地調整；以及
    所述至少一個處理器還被配置成：
    至少部分地基於所選擇的光源來確定所述多個元件中的給定元件的目標狀態；以及
    使得將所述給定元件設置為所述目標狀態。
  7. 如請求項1所述的裝置，其中：
    所述光源為第一光源；以及
    所述至少一個處理器被配置成選擇所述多個光源中的第二光源，所述第二光源被配置成照射所述眼動箱的所述部分。
  8. 一種方法，包括：
    至少部分地基於眼睛的瞳孔相對於眼動箱的位置從多個光源中選擇光源，所選擇的光源被配置成利用光束照射所述眼動箱的與所述瞳孔的位置對應的部分；以及
    啟動所選擇的光源以照射所述眼動箱的所述部分。
  9. 如請求項8所述的方法，其中，所選擇的光源被配置成利用所述光束照射所述眼動箱的僅與所述瞳孔的一部分對應的所述部分。
  10. 如請求項8所述的方法，還包括：
    至少部分地基於所選擇的光源來確定要施加到所述光束的變形；以及
    至少部分地基於所確定的變形來引起對所述光束的修改。
  11. 如請求項10所述的方法，其中，至少部分地基於所選擇的光源來確定要施加到所述光束的變形包括：針對由準直器引起的像差確定對所述光束的校正。
  12. 如請求項10所述的方法，其中，至少部分地基於所確定的變形來引起對所述光束的修改包括：使空間光調變器至少部分地基於所確定的變形來修改所述光束。
  13. 如請求項8所述的方法，其中：
    所述光束至少部分地基於耦出裝置的多個元件來照射所述眼動箱的所述部分，所述元件中的每一個元件的反射率和強度中的至少一個能夠在至少兩個狀態之間被選擇性地調整；以及
    所述方法還包括：
    至少部分地基於所選擇的光源來確定所述多個元件中的給定元件的目標狀態；以及
    使得將所述給定元件設置為所述目標狀態。
  14. 如請求項8所述的方法，其中：
    所述光源為第一光源；以及
    所述方法還包括選擇所述多個光源中的第二光源，所述第二光源被配置成 照射所述眼動箱的所述部分。
  15. 一種光學系統，包括：
    多個光源；
    光導光學元件，其包括耦出裝置，所述耦出裝置被配置成將從所述多個光源接收的光束朝向所述光學系統的眼動箱進行引導；以及
    控制器，其被配置成：
    至少部分地基於眼睛的瞳孔相對於所述眼動箱的位置來從所述多個光源中選擇光源，所選擇的光源被配置成發射光束，所述光束在由所述耦出裝置引導時照射所述眼動箱的與所述瞳孔的位置對應的部分；以及
    啟動所選擇的光源以照射所述眼動箱的所述部分。
  16. 如請求項15所述的光學系統，還包括眼動跟蹤系統，所述眼動跟蹤系統被配置成確定所述瞳孔的位置，其中，所述控制器被配置成確定所述眼動箱的與由所述眼動跟蹤系統確定的所述瞳孔的位置對應的所述部分。
  17. 如請求項15所述的光學系統，還包括設置在所述多個光源與所述光導光學元件之間的空間光調變器，其中：
    所述控制器被配置成至少部分地基於所選擇的光源來確定要施加到所述光束的變形；以及
    所述空間光調變器被配置成至少部分地基於所確定的變形來修改所述光束。
  18. 如請求項17所述的光學系統，還包括光學裝置，所述光學裝置被配置成將來自所選擇的光源的光束朝向所述空間光調變器進行引導，所述光學裝置包括：
    第一透鏡；
    第二透鏡；
    第一微透鏡陣列，其設置在所述第一透鏡與所述第二透鏡之間；以及
    第二微透鏡陣列，其設置在所述第一微透鏡陣列與所述第二透鏡之間。
  19. 如請求項18所述的光學系統，其中，所述多個光源位於所述第一透鏡的焦平面中，所述第二微透鏡陣列位於所述第一微透鏡陣列的焦 平面中，並且所述空間光調變器位於所述第二透鏡的焦平面中。
  20. 如請求項15所述的光學系統，其中，所述耦出裝置包括多個元件，所述控制器被配置成將所述元件中的每一個元件的反射率和強度中的至少一個在至少兩個狀態之間選擇性地進行調整。
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