TWI788821B - 具有注視點投影與擴展眼箱區域之近眼影像投影系統 - Google Patents

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Abstract

一種近眼影像投影系統，其包含點光陣列，點光陣列產生入射光束，入射光束照明經組態以調變入射光束且投影調變光束的光學光調變器；光學元件，其經組態以投影調變光束以形成點光影像且投影投影影像光束，投影影像光束沿著投影軸界定眼箱區域。調變光束包含注視點調變光束及周邊調變光束，注視點調變光束形成注視點瞳孔影像且投影注視點投影影像光束，注視點投影影像光束界定注視點眼箱區域；周邊調變光束形成周邊瞳孔影像。出射瞳擴展裝置，其經組態以為周邊點光影像之各者投影瞳孔擴展光束且形成周邊投影影像光束，周邊投影影像光束界定比注視點眼箱區域更寬的周邊眼箱區域。

Description

具有注視點投影與擴展眼箱區域之近眼影像投影系統
發明領域
本發明涉及一種近眼影像投影，更具體而言，涉及一種用於虛擬、增強、混合、或擴展實境的頭戴式裝置及相關應用程式的近眼影像投影。
發明背景
本申請人在專利申請WO2018091984A1中描述了一種基於點光的近眼順序光場投影機。所描述之光場投影機將光場投影至由出射瞳處的投影視點陣列之大小界定的眼箱中。對於許多使用案例來說，出射瞳係小的。同時，將投影影像之角解析度與投影影像之視場(field-of-view，FoV)進行權衡。
發明概要
本發明係關於一種近眼影像投影系統，其包含點光陣列，點光陣列產生多個入射光束，多個入射光束照明經組態用於調變入射光束且投影多個調變光束的光學光調變器；光學元件，其經組態以投影多個調變光束以在第一點光平面處形成點光影像且投影沿著投影軸界定眼箱區域的多個投影影像光束；其中，所述多個調變光束包含多個注視點調變光束，多個注視點調變光束形成注視點瞳孔影像且投影界定注視點眼箱區域的多個注視點投影影像光束。多個調 變光束進一步包含多個周邊調變光束，多個周邊調變光束形成周邊瞳孔影像。系統進一步包含出射瞳擴展裝置，其經組態以為周邊點光影像之各者投影多個瞳孔擴展光束，所述多個瞳孔擴展光場形成周邊投影影像光束，周邊投影影像光束界定寬於注視點眼箱區域的周邊眼箱區域。
在本文揭示的影像投影系統中，注視點投影影像光束有助於FoV之窄中央部分中光場影像之形成。周邊調變光束藉由對應於總FoV之周邊部分的影像資訊來調變且經由出射瞳擴展元件來投影。
影像投影系統具有增加的有效FoV及提高的感知影像解析度。感知影像解析度係藉由將窄FoV及有限眼箱中的高解析度光場與覆蓋較大總FoV之周邊部分且通過較大眼箱的非光場影像組合來達成的。
影像投影系統可包含眼動追蹤及轉向裝置，其經組態以提供關於觀看者正在看哪裡的眼動追蹤資訊。眼動追蹤及轉向裝置可經組態以根據眼動追蹤資訊來偏轉周邊投影影像光束及光場影像。
10:點光陣列
11:中央區
12a,12b,12c,12d:周邊區
13:周邊點光次陣列
14:注視點點光次陣列
20:光學光調變器
30:第一點光平面
31:注視點瞳孔影像
32:調變器成像透鏡
34:傅立葉濾波器
35:輸入耦合元件
36:出射瞳擴展裝置
37:輸出耦合元件
38:擴散器
39:周邊瞳孔影像
40:第二光學元件
50:第一光學元件
60:偏轉元件
70:第一點光影像光學元件
90:眼睛
92:視網膜
100a:注視點入射光束
100b:周邊入射光束
104:瞳孔擴展光束
110a:注視點調變光束
110b:周邊調變光束
112a:注視點影像光束
112b:周邊影像光束
114a:注視點調變器影像
114b:周邊調變器影像
115:調變器影像平面
120:第二點光影像，視點
120a:孔徑開口
121a:投影注視點眼箱區域
121b:投影周邊眼箱區域
124:第二點光平面
130:瞳孔
140:分束器/半透明鏡面
150:影像投影光學器件
160:入射投影軸
170:投影軸
190:現實世界
本發明的示例性實施例在說明書中揭示且藉由附圖加以圖示，其中：圖1a至圖1d圖示根據實施例的影像投影系統，其示出了注視點入射光束(圖1a)、一個(圖1b)或兩個(圖1c)周邊入射光束、及兩個周邊入射光束與一個注視點入射光束(圖1d)；圖2a及圖2b示出了根據實施例的波導之側視圖(圖2a)及前視圖(圖2b)；圖3表示根據實施例的合成FoV；圖4表示根據另一實施例的影像投影系統；圖5圖示根據實施例的用於基本說明的包含不具有瞳孔擴展元件的眼動追蹤及轉向裝置的影像投影系統(圖5a)及具有瞳孔擴展元件的眼動追蹤及轉向裝 置的影像投影系統(圖5b)；圖6示出了根據另一實施例的影像投影系統，其藉由使用鏡面偏轉器、投影光學器件、作為瞳孔擴展元件的擴散器及分束器而具有分開的光場注視點及周邊影像投影路徑；及圖7示出了根據又一實施例的影像投影系統，其藉由使用鏡面偏轉器及作為瞳孔擴展元件的波導組合器而具有分開的光場注視點及周邊影像投影路徑。
實施例之實例
圖1a至圖1d示出了根據實施例的影像投影系統。影像投影系統包含點光陣列10，其產生多個入射光束100a、100b，多個入射光束100a、100b照明經組態用於調變入射光束100a、100b且投影多個調變光束110a、110b的光學光調變器20。光學元件32、70、40，其經組態以投影多個調變光束110a、110b以在第一點光平面30處形成點光影像31、39且投影多個投影影像光束112a、112b，多個投影影像光束112a、112b在第二點光平面124處形成第二點光影像120(或視點)且沿著投影軸170界定眼箱區域121a、121b。
影像投影系統註定將由觀看者佩戴以用於虛擬及混合實境應用。影像投影系統可經組態使得當由觀看者佩戴時，眼箱區域121a、121b及出射瞳係在觀看者眼睛90內。調變光束110a、110b朝向觀看者眼睛90之瞳孔130經投影，使得調變光束110a、110b經投影在視網膜92上。
光學元件可包含第一點光影像光學元件70，其經組態以投影多個調變光束110a、110b，使得調變光束110a、110b中之各者在第一點光平面30處形成瞳孔影像31、39且在調變器影像平面115處形成調變器影像114a、114b。
光學元件可進一步包含第二光學元件40，其經組態以與多個調變光束110a、110b相互作用以投影多個投影影像光束112a、112b，多個投影影像光 束112a、112b沿著投影軸170界定眼箱區域121a、121b。第二光學元件40可包含目鏡、諸如彎曲半透明鏡面的半反射組合器、鏡面陣列或全像元件中之任一者。第二光學元件40可包含組合器，其經組態用於將來自現實世界190的自然光朝向眼箱區域121a、121b傳輸，使得投影虛擬光場及自然光兩者均經由組合器40投影在眼箱區域121a、121b內。
在圖1a中表示的一個態樣中，入射光束由點光陣列10之注視點點光次陣列14產生且包含多個注視點入射光束100a。注視點調變光束100a之次集合通過第一光學元件50且照明光學光調變器20。第一光學元件50可包含準直或部分準直透鏡或波導，波導具有輸入耦合元件，其接受準直窄照明光束且經由輸出耦合元件出射擴展準直光束。第一點光影像光學元件70投影多個注視點調變光束110a且在第一點光平面30處形成注視點瞳孔影像31，且在一些實施例中與光學元件32一起在調變器影像平面115處形成注視點調變器影像114a。第二光學元件40與注視點調變光束110a相互作用且投影多個投影注視點影像光束112a，多個投影注視點影像光束112a沿著投影軸170界定注視點眼箱區域121a。
如在圖1b及圖1c中所示，由點光陣列10產生的入射光束進一步包含產生多個周邊入射光束100b的多個周邊點光次陣列13(周邊點光13通常比注視點點光14提供更高強度的照明光)。圖1b中示出了一個周邊入射光束100b，且圖1c中示出了兩個周邊入射光束100b。周邊入射光束100b通過第一光學元件50且照明周邊入射光束100b在其中經調變的光學光調變器20。第一點光影像光學元件70投影多個周邊調變光束110b。周邊調變光束110b在第一點光平面30處形成周邊瞳孔影像39。
影像投影系統進一步包含在第一點光平面30處的偏轉元件60。偏轉元件60經組態以相對於投影軸170偏轉所述周邊調變光束110b。偏轉元件60進一步經組態以形成沿著調變器影像平面115空間移位的移位周邊調變器影像 114b。
偏轉元件60可包含稜鏡或任何其他偏轉光學元件，諸如偏移透鏡。
影像投影系統進一步包含出射瞳擴展裝置36。出射瞳擴展裝置36經組態以複製周邊瞳孔影像39(周邊點光影像39表示由出射瞳擴展裝置36複製的瞳孔)。對於各複製的周邊瞳孔影像39，出射瞳擴展裝置36投影多個瞳孔擴展光場104。光學元件32及第二光學元件40與瞳孔擴展光場104相互作用且投影多個投影周邊影像光束112b(非光場周邊影像)，多個投影周邊影像光束112b界定比注視點眼箱區域121a更寬的周邊眼箱區域121b。
影像投影系統可包含位於第一點光平面30處的傅立葉(Fourier)濾波器34。傅立葉濾波器34可經組態以自在光學光調變器20上反射及繞射的調變光束110a、110b中移除除了一個繞射分量之外的所有繞射分量。
在一個實施例中，出射瞳擴展裝置包含在第一點光平面30處延伸的波導36。波導36包括經組態以輸入所述周邊瞳孔影像39的輸入耦合元件35及經組態以投影多個瞳孔擴展光場104的輸出耦合元件37。
圖1d表示包括第一點光平面30處的波導36的影像投影系統，示出了兩個周邊入射光束100b及一個入射光場光束100a。
在一個態樣中，輸入耦合元件35包含繞射光柵。形成周邊瞳孔影像39的準直像素光束103(參見圖2a)藉由全內反射在波導36內朝向輸出耦合元件37行進。輸出耦合元件37可包含另一繞射光柵，使得全內反射的瞳孔影像39經耦合輸出波導36且經複製以投影多個瞳孔擴展光場104。
在另一態樣中，輸入耦合元件35及/或輸出耦合元件37可包含全像光學元件。在未圖示的替代態樣中，輸入耦合元件35及/或輸出耦合元件37可包含鏡面陣列或部分透明鏡面(分束器)之堆疊，其中準直像素光束103經由若干鏡面行進，自各鏡面接口部分反射。在另一變體中，輸入耦合元件35及輸出耦合元 件37可包含繞射光柵、全像光學元件、鏡面陣列或部分透明鏡面之堆疊中之任一者或這些元件之組合。
圖2a示出了根據實施例的波導36之側視圖。在圖2a之特定實例中，偏轉元件60朝向輸入耦合元件35偏轉周邊調變光束110b，使得周邊瞳孔影像39可經注入在波導36中。圖2b示出了波導36之前視圖，波導36包含四個由黑圓表示的輸入耦合元件35。輸出耦合元件37大體佔據盤形波導36之全表面。
輸入耦合元件35可經組態以準直注入在輸入耦合元件35中的未準直周邊調變光束110b。此種輸入耦合元件35或包含梯度繞射光柵、球面鏡，或包含準直全像。注入的周邊調變光束110b承載準直像素光束103，準直像素光束103經由波導36經導引且在與輸出耦合元件37相互作用時逐漸出射波導36。經由小周邊瞳孔影像39注入的周邊調變光束110b經由輸出耦合元件37出射波導36。根據輸出耦合元件37之類型及組態，輸出耦合元件37可經組態使得出射波導36的多個瞳孔擴展光場104連續地或分立地分佈在出射瞳擴展元件36之表面中。
各準直像素光束103可以相同的角度(平行)同時自瞳孔擴展光場104之複製投影點經發射。像素因此似乎自無限遠的地方照射，且通過多個投影點(或投影瞳孔之一個連續的大區域)。
在實施例中，波導36可包含至少一個孔徑開口120a，孔徑開口120a經組態以傳輸不由波導36影響的注視點調變光束110，使得調變光束110在調變器影像平面115處形成注視點調變器影像114a。在圖2b的實例中，波導36包含由開口圓表示的三十二個孔徑開口120a。
在影像投影系統包含傅立葉濾波器34的情況下，傅立葉濾波器34可包括一或若干個孔徑開口120a。這裡，注視點瞳孔影像31之各者與設置在波導36中且可能地設置在傅立葉濾波器34中的孔徑開口120a重合。
在另一實施例中，影像投影系統包括調變器成像透鏡32(參見圖1a 至圖1d)，調變器成像透鏡32經組態以聚焦多個瞳孔擴展光束104以形成移位周邊調變器影像114b。
圖3表示合成FoV。中央區11含有注視點調變器影像114a，其通過孔徑開口120a且形成注視點眼箱區域121a。四個周邊區12a~12d中之各者含有(非光場)周邊調變器影像114b且形成周邊眼箱區域121b。
圖4表示根據另一實施例的影像投影系統，其中出射瞳擴展裝置包含調變器影像平面115處的擴散器元件38。在此種組態中，周邊入射光束100b通過第一光學元件50且照明周邊入射光束100b在其中經調變的光學光調變器20。第一點光影像光學元件70投影多個周邊調變光束110b。周邊調變光束110b在第一點光平面30處形成周邊瞳孔影像39。偏轉元件60經組態以相對於投影軸170偏轉所述周邊調變光束110b且形成在調變器影像平面115中空間移位的移位周邊調變器影像114b。擴散器元件38投影多個瞳孔擴展光場104，擴展周邊調變光束110b之各像素之角發射範圍。擴散器元件38可係透射式或反射式。擴散器元件38可係螢光擴散器，以便在照明時間短或工作週期小的情況下延長影像發射。擴散器元件38亦可由發射顯示器代替。
眼睛90在眼窩中之移動可導致眼睛瞳孔130離開注視點眼箱區域121a且影像光不進入眼睛90，這導致由注視點影像光束112a(投影影像之光場部分)覆蓋的FoV中的影像資訊之損失。這個問題可藉由用非光場影像臨時填充FoV之這個部分來減少，非光場影像通過周邊眼箱區域121b且因此當眼睛90移動時不會損失。結果，覆蓋注視點影像光束112a的影像之部分係始終存在的。這個簡單的解決方案需要至少二元的眼睛追蹤資訊，眼睛追蹤資訊識別眼睛瞳孔130是否位於眼箱之光場部分(即，注視點影像光束112a)之內。由於眼睛90在注視點眼箱121a之外僅停留一小部分時間，通常不到5%，且每次僅停留很短的時間，因此解決方案對於大多數使用案例來說係足夠的。
在圖5a中圖示的實施例中，影像投影系統包含眼動追蹤及轉向裝置。眼動追蹤及轉向裝置經組態以提供關於觀看者正在看哪裡的眼動追蹤資訊且根據眼動追蹤資訊偏轉周邊投影影像光束112b。
眼動追蹤及轉向裝置可進一步經組態以當眼動追蹤資訊指示觀看者正在看注視點眼箱區域121之外時，在注視點眼箱區域121之外提供周邊投影影像光束112b。
更特別地，眼動追蹤及轉向裝置可經組態以估計眼睛90之注視之位置及方向，特別係瞳孔130。眼動追蹤及轉向裝置可進一步經組態以估計使用者之眼睛90及/或瞳孔130之注視之位置及方向。
在一個態樣中，眼動追蹤及轉向裝置可包含鏡面或透鏡，鏡面或透鏡可根據眼動追蹤資訊移動。眼動追蹤資訊可提供至控制器(未示出)，控制器控制可移動鏡面或透鏡以調整周邊投影影像光束112b之角度。
如圖5b中所圖示，眼動追蹤及轉向裝置可與包含出射瞳擴展元件36的影像投影系統組合。
圖6示出了根據另一實施例的影像投影系統，其中出射瞳擴展元件36包含離軸光學器件150，其遠離平行於注視點及周邊入射光束100a、100b的入射投影軸160定位。偏轉元件60(一鏡面)朝向離軸光學器件150偏轉周邊調變光束110b，離軸光學器件150將周邊調變光束110b投影至大體平行於入射投影軸160延伸的擴散器元件38上。擴散器元件38沿著投影軸170投影多個瞳孔擴展光場104，大體上正交於入射投影軸160。
影像投影系統包含分束器140。注視點調變光束110a通過第一點光平面30中的孔徑開口120a且到達分束器140，在分束器140，注視點調變光束110a沿著投影軸170朝向使用者的眼睛90經反射。反射的注視點調變光束110a與瞳孔擴展光場104在大體平行於入射投影軸160延伸的第二光學元件40中經組合。在 這個實施例中，由於光學器件150及擴散器元件38將單個周邊影像擴展至寬FoV，因此僅可使用創建一個周邊影像的一個點光13。
圖7示出了根據又一實施例的影像投影系統，其中出射瞳擴展元件36包含光導。偏轉元件60(一鏡面)朝向光導輸入耦合元件35偏轉單個周邊調變光束110b。光導36導引單個周邊調變光束110b且自設置在光導36中的輸出耦合元件37投影瞳孔擴展光場104。瞳孔擴展光場104沿著投影軸170經投影。投影軸170可使相對入射投影軸160的角度在30度與120度之間。
注視點調變光束110a通過第一點光平面30中的孔徑開口120a且到達第二光學元件40，第二光學元件40大體平行於輸出耦合元件37延伸。注視點調變光束110a沿著投影軸170在第二光學元件40上經反射。注視點調變光束110a與瞳孔擴展光場104經組合且到達用戶的眼睛90。
10:點光陣列
14:注視點點光次陣列
20:光學光調變器
30:第一點光平面
31:注視點瞳孔影像
32:調變器成像透鏡
34:傅立葉濾波器
35:輸入耦合元件
36:出射瞳擴展裝置
40:第二光學元件
50:第一光學元件
60:偏轉元件
70:第一點光影像光學元件
90:眼睛
92:視網膜
100a:注視點入射光束
110a:注視點調變光束
112a:注視點影像光束
114a:注視點調變器影像
115:調變器影像平面
121a:投影注視點眼箱區域
121b:投影周邊眼箱區域
124:第二點光平面
130:瞳孔
170:投影軸
190:現實世界

Claims (20)

  1. 一種近眼影像投影系統，其包含：一點光陣列，其產生多個入射光束，該等多個入射光束照明經組態用於調變該等入射光束且投影多個調變光束的一光學光調變器；一光學元件，其經組態以投影該等多個調變光束以在一第一點光平面處形成多個點光影像且沿著一投影軸投影界定一眼箱區域的多個投影影像光束；其中，所述多個調變光束包含多個注視點調變光束，該等多個注視點調變光束形成注視點瞳孔影像且投影界定一注視點眼箱區域的多個注視點投影影像光束；其特徵在於所述多個調變光束進一步包含形成多個周邊瞳孔影像的多個周邊調變光束；該系統進一步包含一出射瞳擴展裝置，該出射瞳擴展裝置經組態以為該等周邊點光影像之各者投影多個瞳孔擴展光束，所述多個瞳孔擴展光場形成周邊投影影像光束，該等周邊投影影像光束界定比該注視點眼箱區域更寬的一周邊眼箱區域；其中該等注視點調變光束通過在該第一點光平面中的多個孔徑開口。
  2. 如請求項1所述之影像投影系統，其中，該第一點光影像光學元件投影該等多個注視點調變光束以在一調變器影像平面處形成多個注視點調變器影像；及其中，該影像投影系統進一步包含該第一點光平面處的一偏轉元件，該偏轉元件經組態以相對於該投影軸偏轉所述多個周邊調變光束且形成沿著該調變器影像平面空間移位的多個經移位的調變器影像。
  3. 如請求項2所述之影像投影系統，其中，該出射瞳擴展裝置進一步包含該調變器影像平面處的一擴散器元件。
  4. 如請求項1或2所述之影像投影系統，其中，該擴展裝置包含在該第一點光平面中延伸的一波導，該波導包含經組態以輸入所述周邊點光影像的一輸入耦合元件，及經組態以投影所述多個瞳孔擴展光束的一輸出耦合元件。
  5. 如請求項4所述之影像投影系統，其中，該輸出耦合元件經組態以投影多個分立的瞳孔擴展光束。
  6. 如請求項4所述之影像投影系統，其中，該輸出耦合元件經組態以投影連續分佈的多個瞳孔擴展光束。
  7. 如請求項2所述之影像投影系統，其進一步包含一光束聚焦元件，該光束聚焦元件經組態以聚焦該等多個瞳孔擴展光束以形成該等經移位的調變器影像。
  8. 如請求項7所述之投影系統，其中，該輸入耦合元件經組態以準直該等周邊調變光束。
  9. 如請求項4所述之影像投影系統，其中，該輸入耦合元件或該輸出耦合元件中之至少一者包含一全像光學元件。
  10. 如請求項4所述之影像投影系統，其中，該輸入耦合元件或該輸出耦合元件中之至少一者包含一鏡面陣列或數個部分透明鏡面之一堆疊。
  11. 如請求項4所述之影像投影系統，其中，該輸入耦合元件或該輸出耦合元件中之至少一者包含一繞射光柵。
  12. 如請求項4所述之影像投影系統， 其中，該波導包含多個孔徑開口，各孔徑開口經組態以傳輸該點光影像。
  13. 如請求項2所述之影像投影系統，其中，該偏轉元件包含一稜鏡。
  14. 如請求項2所述之影像投影系統，其包含一第二光學元件，該第二光學元件經組態以與該等多個調變光束相互作用以沿著該投影軸投影界定該眼箱區域的該等多個投影影像光束。
  15. 如請求項14所述之影像投影系統，其中，該第二光學元件包含一組合器，該組合器經組態以將來自現實世界的自然光朝向該眼箱區域傳輸。
  16. 如請求項1所述之影像投影系統其中，該出射瞳擴展元件包含一離軸光學器件及一擴散器元件，該離軸光學器件經組態以將該等周邊調變光束投影在該擴散器元件上，該擴散器元件沿著該投影軸投影該等瞳孔擴展光場，實質正交於平行於該等注視點及周邊入射光束的一入射投影軸；及其中，該影像投影系統包含一分束器，該分束器沿著該投影軸反射該等注視點調變光束，經反射的該等注視點調變光束與該光學元件中的該等瞳孔擴展光場經組合。
  17. 如請求項1所述之影像投影系統其中，該出射瞳擴展元件包含一光導，該光導經組態以導引一周邊調變光束且自設置在該光導中的一輸出耦合元件沿著該投影軸投影該等瞳孔擴展光場，該投影軸相對平行於該等注視點及周邊入射光束的一入射投影軸成一角度；及其中，該等注視點調變光束沿著該投影軸在該第二光學元件上經反射。
  18. 如請求項1所述之影像投影系統，其包含一眼動追蹤及轉向裝置，該眼動追蹤及轉向裝置經組態以提供關於 一觀看者正在看哪裡的眼動追蹤資訊；及其中，該眼動追蹤及轉向裝置經組態以根據眼動追蹤資訊偏轉該等周邊投影影像光束。
  19. 如請求項18所述之影像投影系統，其中，該眼動追蹤及轉向裝置包含可根據眼動追蹤資訊移動的一鏡面或一透鏡。
  20. 如請求項19所述之影像投影系統，其中，該眼動追蹤及轉向裝置經組態以在該眼動追蹤資訊指示該觀看者正在看一第一眼箱區域之外時在該第一眼箱區域之外提供非光場影像。
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