近眼图像投影系统和包括所述近眼图像投影系统的可穿戴装置

技术领域

本发明涉及具有小形状因数的近眼图像投影系统。本发明还涉及包括所述近眼图像投影系统的可穿戴装置，如增强/混合现实或智能眼镜。更具体地，本发明涉及近眼光场投影系统。近眼光场投影系统可以具有中心凹注视(foveation)能力。

背景技术

借助于空间光调制器(SLM)对结构化入射光进行顺序空间光调制而实现的光场图像投影通常要求通过若干光学元件使来自光源的源光成形(shape)，这些光学元件由足够体积的透明介质隔开，以实现结构化入射光的所需特性，并因此实现所投影的光场图像的所需特性。这种布置导致装置体积较大，不适合用于需要小形状因数的应用，如例如智能眼镜的可穿戴装置。通过使用焦强更高的光学元件(如具有更短焦距的透镜、自由形式的光学器件等)来缩减光学器件仍然需要相当大的体积用于光传播，或者受到照射光结构的较低质量以及因此所投影的图像的较低质量的不利影响，并且由于诸如失真、像差、衍射等光学伪像而需要较高的补偿要求。

文献EP3542206A1公开了通过结构光的顺序空间光调制进行光场投影的方法。文献WO2020157562A1公开了几种将光场投影系统与不同类型的组合器相组合的方法，并且文献US20190285897A1公开了使用图像光瞳扩展的设备，其具有与反射组合器相组合的波导。

发明内容

本发明涉及一种近眼图像投影系统，包括：生成多个入射光束的点光源(pin-light source)；SLM，被配置为调制所述多个入射光束并生成多个调制光束，从而在第一平面形成点光图像；照射光学器件，被配置为将来自点光源的入射光束传递到SLM；以及成像光学器件，被配置为将来自SLM的调制光束沿着投影轴顺序传递到基本上平行于第一平面的第二平面中的眼框(eye-box)区域。照射光学器件在第三平面中，并且投影轴在第四平面中；第三和第四平面基本上垂直于第一平面。照射光学器件限定了从第一平面到第二平面的第一光路、以及从第三平面到第四平面的第二光路。成像光学器件限定了从第二平面到第一平面的第三光路、以及从第一平面到第二平面的第四光路。

本文公开的近眼图像投影系统具有小形状因数，并且非常适合于可穿戴应用，如增强/混合现实或智能眼镜。

附图说明

本发明的示例性实施例在说明书中公开并通过附图来图示，其中：

图1a至1f示出了根据几个实施例的包括SLM、照射光学器件和成像光学器件的近眼图像投影系统的示意图；

图2a至2c示出了根据几个实施例的照射光学器件；

图3示出了根据实施例的成像光学器件的外围图像注入光学器件；

图4a表示从中心凹注视眼框区域看到的由光场和外围部分组成的图像；

图4b表示由光场和外围部分组成的主动中心凹注视图像，其中图像的光场部分与感兴趣区域对准，感兴趣区域是观看者的目光从中心凹注视眼框区域指向的区域；

图5是根据实施例的混合现实眼镜的示意图；以及

图6是用户穿戴的图5的混合现实眼镜的俯视图。

具体实施方式

图1a至1f示出了根据实施例的近眼图像投影系统200的示意图。近眼图像投影系统200包括生成多个入射光束100a、100b的点光源10。SLM 20被配置为调制多个入射光束100a、100b，并生成多个调制光束110a、110b，并在第一平面30上形成点光图像31、39。近眼图像投影系统还包括照射光学器件，其被配置为沿着投影轴170a、170b将来自点光源10的入射光束100a、100b顺序传递到SLM20，传递到基本上平行于第一平面30的第二平面124中的眼框121a、121b。

参考图1a，照射光学器件在第三平面38中，并且投影轴170a、170b在第四平面125中。第三和第四平面38、125基本上垂直于第一平面30。照射光学器件被配置为限定第一光路171，该第一光路171被示出为在从第一平面30到第二平面124的第一方向上平行于投影轴170a、170b，尽管这不是必须的。照射光学器件还可以被配置为限定从第三平面38到第四平面125的第二光路172(示出为垂直于投影轴170a、170b，尽管不是必须的)。

图2a示出了根据实施例的照射光学器件的可能配置。照射光学器件包括点光源10，其包括多个单独的点光源10a，每个点光源10a适于生成至少一个入射光束100a、100b。在图2a的特定示例中，点光源10包括在基本上垂直于第一平面30的平面中的点光源10a的阵列。然而，点光源10的其他布置也是可能的。

在一个方面，照射光学器件包括准直光学元件50，其被配置为将入射光束100a准直为窄光束。准直光学元件50可以包括透镜、反射镜、全息图或执行准直的任何其他光学元件中的任何一个或多个。

在一个方面，照射光学器件还包括照射偏转元件61，其被配置为沿着第一光路171重定向入射点光100a、100b。照射偏转元件61可以包括棱镜、光栅、全息图或执行重定向的任何其他光学元件中的任何一个或多个。

在一个方面，照射光学器件包括照射光瞳扩展装置36a，其被配置为从照射光瞳扩展装置36a的入口到出瞳扩展入射光束100a、100b。照射光瞳扩展装置36a使得能够增大投影图像的视场(FOV)。

在一个方面，照射光瞳扩展装置包括光导或波导36a，其包括被配置为输入入射点光100a、100b的照射耦入元件35a。照射波导36a还可以包括照射耦出元件37a，其被配置为沿着第二光路172输出入射点光100a、100b。

准直入射光束100a、100b借助于与照射耦入元件35a的相互作用而射入照射波导36a中。照射耦入元件35a可以包括衍射光栅、全息图、倾斜反射镜或棱镜、半反射界面的堆叠或任何其他合适的光学元件。入射光束100a、100b由于内部反射而传播，同时它们借助于与1D或2D折叠光栅的相互作用或者通过扩展入射光束100a、100b的任何其他光学元件而在照射波导36a的平面中扩展。照射耦出元件37a可以包括衍射光栅、全息图、倾斜反射镜或棱镜阵列、半反射界面的堆叠、或者被配置为沿着第二光路172输出入射点光100a、100b的任何其他光学元件。照射耦出元件37a可以被配置为使得入射光束100a、100b以如下状态离开照射波导36a：该入射光束100a、100b以均匀分布的强度倍增，并且在由注入的入射光束100a、100b的倾斜角给出的方向上准直，该方向是第二光路172。

扩展准直光束顺序地照射反射或透射SLM 20。在透射SLM的情况下，入射光分量被调制并传播到投影光学器件。

再次参考图1a，成像光学器件还被配置为限定从第二平面124到第一平面30的第三光路173(显示为在第一方向上平行于投影轴170a、170b，尽管不是必须的)。成像光学器件还被配置为限定从第一平面30到第二平面124的第四光路174(示出为平行于投影轴170a、170b，尽管不是必须的)。

在实施例中，成像光学器件包括照射和投影光学元件70。照射和投影光学元件70可以包括棱镜70，棱镜70包括第一和第二光束成形外表面52、53。在反射SLM 20的情况下，如图1a所示，通过照射耦出元件37a沿着第二光路172离开照射波导36a的入射光束100a、100b在到达SLM 20之前穿过棱镜70的第一和第二光束成形外表面52、53。第一和第二光束成形外表面52、53可以被配置为使准直入射光束100a、100b集中在SLM 20上。

在一个方面，棱镜70可以包括分束器140，其被配置为被在入射点光100a、100b到达SLM 20之前被入射光束100a、100b沿第二光路172穿过。

(反射)SLM 20调制入射光束100a或100b，并使调制光束110a、110b(图像分量)通过第二光束成形表面53沿第二光路172反射回棱镜70。SLM 20还被配置为反射具有面内偏振(s偏振)或高于全内反射角(在SLM 20包括数字微反射镜装置的情况下)的调制光束110a、110b，这是在SLM 20的调制期间获得的。

分束器140还可以被配置为沿第三光路173反射SLM 20生成的调制光束110a、110b。棱镜70还包括第三和第四光束成形外表面54、58。被分束器140反射的调制光束110a、110b被第三光束成形外表面54沿着第四光路174反射。

第三光束成形外表面54可以被配置为使得调制光束110a、110b的偏振相对于SLM20提供的面内偏振反转。

在一个方面，第三光束成形外表面54可以包括四分之一波片56，其被配置为使得沿第三光路173的调制光束110a、110b变成p偏振。

由第三光束成形外表面54反射的调制光束110a、110b穿过第四光束成形外表面58。第四光束成形外表面58可以被配置为准直构成调制光束110a、110b的SLM像素束。

在实施例中，成像光学器件包括光学组合器40，其被配置为接收调制光束110a、110b，并沿投影轴170a、170b将图像光束112a、112b投影至眼框121a、121b。光学组合器40还被配置为将来自真实世界190的自然光透射向眼框121a、121b。

对于虚拟和混合现实应用，近眼图像投影系统200旨在由观看者穿戴。图像投影系统可以被配置为使得当它被观看者穿戴时，眼框区域121a、121b和出瞳(或视点)120在观看者的眼睛90内。图像光束112a、112b被投影朝向观看者的眼睛90的瞳孔130，使得图像光束112a、112b投影在视网膜92上。

调制光束可以包括在第一平面30处形成中心凹注视点光图像31的中心凹注视调制光束110a和在第一点光平面30处形成外围点光图像39的外围调制光束110b。

在一个方面，成像光学器件还包括第一平面30中的傅立叶滤波器34。傅立叶滤波器34可以包括成像偏转元件60a(见图3)，其将中心凹注视调制光束110a反射到包括在光学组合器40中的中心凹注视组合器41，使得中心凹注视组合器41反射调制中心凹注视光束110a并将中心凹注视图像光束112a投影朝向中心凹注视眼框121a。中心凹注视组合器41可以包括透明或至少部分透明的反射表面。反射表面可以是凹形和/或椭圆形的，或者具有适于向中心凹注视眼框121a投影中心凹注视图像光束112a的任何形状。

特别地，图1a示出了生成单个入射中心凹注视光束100a的点光源10、以及单个中心凹注视调制光束110a和中心凹注视图像光束112a向中心凹注视眼框121a的投影。单个入射中心凹注视光束100a由点光源10的单个点光(有源点光)10a生成。中心凹注视图像光束112a在中心凹注视眼框121a中的视点120处形成图像。

图1b示出了近眼图像投影系统200，其中单个入射中心凹注视光束100a由点光源10的另一个单个点光源10a生成。中心凹注视图像光束112a在中心凹注视眼框121a中的另一个视点120处形成图像。

点光源10的多个点光10a可以生成多个入射中心凹注视光束100a，并且照射光学器件和成像光学器件向中心凹注视眼框121a投影多个中心凹注视调制光束110a和中心凹注视图像光束112a。

成像光学器件还可以包括成像反射镜32，其被配置为将由成像偏转元件60a反射的中心凹注视调制光束110a反射至中心凹注视组合器41。成像反射镜32可以放置在SLM 20附近，使得中心凹注视调制光束110a被成像偏转元件60a反射向SLM 20，并且被成像反射镜32反射回中心凹注视组合器41。成像偏转元件60a可以包括倾斜反射镜或棱镜。成像反射镜32在成像反射镜32与中心凹注视组合器41之间的调制器图像平面115中产生中心凹注视调制器图像114a。由于每个成像偏转元件60a可以以不同的角度定向(例如，反射镜或棱镜可以以不同的角度倾斜)，因此中心凹注视调制器图像114a可以产生阵列，在所述阵列中，至少一些中心凹注视调制器图像114a相对于其他中心凹注视调制器图像114a在调制器图像平面115中空间移位。在这种情况下，中心凹注视组合器41将使得观看者从眼框121a看到该图像阵列。

在实施例中，成像反射镜32可以是可移动的，以便偏转由成像反射镜32从投影轴170a、170b反射的中心凹注视调制光束110a。

图1c示出了近眼图像投影系统200，其中，沿相对于中央(中性)投影轴170b倾斜的投影轴170a投影来自由点光源10生成的两个入射中心凹注视光束100a的两个中心凹注视调制光束110a。投影轴170a相对于中央投影轴170b的倾斜度是根据成像反射镜32的移动(旋转)。

在一个方面，近眼图像投影系统200可以包括提供眼睛跟踪信息的眼睛跟踪和转向装置(未示出)。成像反射镜32于是可以根据眼睛跟踪信息来移动(旋转)。

在一个方面，傅立叶滤波器34还被配置为让外围调制光束110b穿过傅立叶滤波器34并到达图像注入光学器件150，图像注入光学器件150被配置为将外围调制光束110b从第一角度α扩展至大于第一角度α的第二角度β。

傅立叶滤波器34因此可以被配置为分离中心凹注视调制光束110a和外围调制光束110b的光路。

图3示出了根据实施例的外围图像注入光学器件150。在图3的配置中，图像注入光学器件150包括光束成形透射表面151，外围调制光束110b输入到该表面。在图3中，示出了一个外围调制光束110b。接下来的讨论考虑一个外围调制光束110b，但是也适用于多个外围调制光束110b。图像注入光学器件150还包括反射表面152、153(反射镜152和153)和光束成形反射表面154。

输入的外围调制光束110b通过傅立叶滤波器34中的开口341以第一角度α进入外围图像注入光学器件150。开口341与外围调制光束110b的外围点光图像39重合。

外围调制光束110b通过开口341以光束角度α输入到外围图像注入光学器件150中。由于反射表面152、153和154上的内部反射，外围调制光束110b在外围图像注入光学器件150内传播，同时它扩展至第二角度β，朝向成像耦入元件35传播。外围图像注入光学器件150产生SLM 20的外围调制器图像114b。在这种配置中，来自图像114b的每个像素的外围调制光束110b被光束成形反射表面154准直，并且被成像耦入元件35注入。

在图1a至1f所示的实施例中，光学组合器40包括中心凹注视组合器41和外围组合器，外围组合器包括成像出瞳扩展装置36，成像出瞳扩展装置36被配置为接收外围调制光束110b，并沿着投影轴170将外围图像光束112b投影到外围眼框区域121b。具有扩展的第二β的准直外围调制光束110b(外围调制光束110b包括来自每个SLM像素的束，这些像素束是准直的)通过成像耦入元件35注入到成像出瞳扩展装置36中。成像出瞳扩展装置可以包括成像波导36。

成像波导36可以包括成像耦出元件37，其被配置为允许外围图像光束112b离开成像波导36，并沿投影轴170b投影到外围眼框区域121b内。由于由成像波导36执行的光瞳复制，外围眼框区域121b通常大于中心凹注视眼框区域121a。

图1d示出了近眼图像投影系统200，其中，外围调制光束110b的子集(即，一个外围调制光束110b)透射通过傅立叶滤波器34，注入成像波导36，并且外围图像光束112b沿投影轴170b投影到外围眼框区域121b内。

图1e示出了近眼图像投影系统200，其中，(两个)中心凹注视调制光束110a的子集在成像反射镜32和中心凹注视组合器41上反射，并且将中心凹注视图像光束112a沿投影轴170a投影到中心凹注视眼框区域121a内。成像偏转元件60a可以以不同的角度反射入射光束110a，使得其中至少一些中心凹注视调制器图像元素114a相对于其他中心凹注视调制器图像114a聚焦在平面115中的不同位置。

图1f示出了图1e的近眼图像投影系统200，进一步示出了外围调制光束110b的子集(即一个)注入到外围组合器(成像出瞳扩展装置36)中，并且相应的外围图像光束112b沿投影轴170b投影到外围眼框区域121b内。

在图1c、1e和1f中，点光源10、SLM 20、棱镜70和照射光瞳扩展装置36a由框200示意性地表示。

成像耦出元件37可以包括体积全息图、衍射光栅反射镜阵列或棱镜(半透明界面)的堆叠。耦出元件37和波导36用作外围组合器，因此在增强现实应用中需要部分透明。它们对于虚拟现实应用和视频穿透式增强现实应用可以是不透明的。中心凹注视组合器41可以包括各种各样的半透明光学装置，如体积全息图、菲涅耳类型的反射器或具有半反射内表面的椭球表面。

近眼图像投影系统200允许通过光学组合器40沿投影轴170a、170b将中心凹注视调制光束110a和外围调制光束110b分别作为中心凹注视图像光束112a和外围图像光束112b投影到眼框121a和121b。

可以设想照射光学器件的其他配置。例如，在图2b中，照射准直元件50和偏转元件61包括全息图。在图2c中，准直元件50、成像偏转元件60a和照射耦入元件35a的功能由单个全息衍射元件35a执行。

图4a表示从中心凹注视眼框区域121a看到的视场的中心凹注视区域。该图像包括窄视场光场部分11和较宽视场外围图像12。

图4b表示从外围眼框区域121a看到的主动中心凹注视图像。在近眼图像投影系统200包括眼睛跟踪和转向装置以及可移动成像反射镜32的情况下，可以获得主动中心凹注视图像。窄视场光场部分11可以基于关于观看者的眼睛注视的信息或者根据所显示的内容相对于宽视场图像12从中心位置移动。

本公开还涉及包括图像投影系统200的可穿戴装置。

图5是根据实施例的混合现实眼镜的示意图，该混合现实眼镜在每个镜腿上包括图像投影系统200。在眼镜的右侧，表示出点光源10、SLM 20、棱镜70、成像反射镜32、傅立叶滤波器34、照射光瞳扩展装置36a和照射耦出元件。没有示出右侧镜腿。中心凹注视组合器包括镜片41(玻璃镜片)。形成外围组合器的成像出瞳扩展装置36和成像耦出元件37嵌在镜片41中。在眼镜的左侧，图像投影系统200集成到镜腿中。

图6为由用户穿戴的图5的混合现实眼镜的俯视图。图像投影系统200可以仅被包括在混合现实眼镜的一侧，其中光学组合器40被包括在眼镜的至少一个镜片41中(如上所述)。图像投影系统200可以包括在铰链或镜腿的另一部分中。

参考数字和符号

10   点光源

10a  有源点光

11   视场的中心凹注视区域

12   视场的外围区域

13   外围点光子阵列

20   光学光调制器(SLM)

30   第一平面

31   中心凹注视点光图像

32   成像反射镜

34   傅立叶滤波器

341  开口

35   成像耦入元件

35a  照射耦入元件

36   外围出瞳扩展装置，外围波导

36a  照射光瞳扩展装置，照射波导

37   外围耦出元件

37a  照射耦出元件

38   第三平面

39   外围点光图像

40   光学组合器

41   中心凹注视组合器，镜片

50   准直光学元件

52   第一光束成形外表面

53   第二光束成形外表面

54   第三光束成形外表面

56   四分之一波片

58   第四光束成形外表面

61   照射偏转元件

60a  成像偏转元件

70   照射和投影光学元件，棱镜

90   眼睛

92   视网膜

100a 中心凹注视入射光束

100b 外围入射光束

110a 中心凹注视调制光束

110b 外围调制光束

112a 中心凹注视图像光束

112b 外围图像光束

114a 中心凹注视调制器图像

114b 外围调制器图像

115  调制器图像平面

120  第二点光图像，视点

121a 中心凹注视眼框区域

121b 外围眼框区域

124  第二平面

125  第四平面

130  瞳孔

140  分束器

150  图像注入光学器件

151  光束成形透射表面

152  反射表面

153  反射表面

154  光束成形反射表面

170a 投影轴

170b 中央视轴

171  第一光路

172  第二光路

173  第三光路

174  第四光路

190  真实世界

200  图像投影模块