头戴式显示器眼球追踪器集成系统技术方案

一种具有眼睛追踪系统的头戴式显示器，包括：具有两个主表面和边缘的光传输基片(20)，用于通过全内反射将光耦合到所述基片(20)中的光学装置，不平行于基片(20)的主表面的由基片(20)支撑的部分反射表面(22a-22c)，近红外光源(78)和投射明视光谱范围内的显示源(92)，其中，来自光源(78)的光和来自显示器光源(92)的光通过全内反射被耦合到基片(20)中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及集成的头戴式显示器(HMD)系统，尤其涉及包括两个组合单元：头戴式单元和眼球追踪单元的系统。本专利技术可被有利地实现在许多成像应用中，例如便携式DVD、蜂窝电话、移动电视接收器、游戏机、便携式媒体播放器、或其他移动显示设备。
技术介绍
紧凑光学元件的一个重要应用是在HMD中，其中光学模块既用作成像透镜也用作组合器(combiner)，其中二维图像源被成像至无限远(infinity)并被反射到观察者的眼睛中。显示源可直接从例如空间光调制器(SLM)(诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管阵列(OLED)、扫描源)获得，或者间接地通过中继透镜或光纤束获得。显示源包括通过准直透镜被成像至无限远并通过反射或部分反射表面被传输到观看者的眼睛中的元件(像素)阵列，所述反射或部分反射表面分别用作用于非透视应用或透视应用的组合器。通常，传统的自由空间光学模块被用于这些目的。然而，由于HMD系统的期望的视场(FOV)增大，这种传统的光学模块变得更大、更沉并且更笨重(bulkier)，从而即使对中等性能的设备，也是不切实际的。这对于所有类型的显示器尤其是头戴式应用来说是主要缺点，在该头戴式应用中，系统一定要尽可能地轻和紧凑。为紧凑所作的努力已经得到了一些不同的复杂的光学解决方案，所有这些光学解决方案，一方面对于大部分实际应用仍然不够紧凑，另一方面，在可制造性方面存在主要障碍。此外，从这些设计得到的光学视角的眼部运动箱(eye-motion-box，EMB)一般都非常小，通常小于8mm。因此，即使是光学系统相对于观看者的眼睛的很小的移动，光学系统的性能也非常敏感，并且不允许瞳孔充分地运动以从这种显示器舒适地阅读文本。所有以本申请人的名义申请的编号为WO01/95027，WO03/081320，WO2005/024485，WO2005/024491，WO2005/024969，WO2005/124427，WO2006/013565，WO2006/085309，WO2006/085310，WO2006/087709，WO2007/054928，WO2007/093983，WO2008/023367，WO2008/129539和WO2008/149339的公开文本中包括的教导通过引用合并于此。
技术实现思路
本专利技术促进了非常紧凑的光导光学元件(light-guide optical element，LOE)用于HMD，以及其他应用。本专利技术允许与相对大的EMB值一起的相对宽的FOV。作为结果的光学系统提供了大、高质量的图像，这也适应眼睛的大的运动。因为本专利技术提供的光学系统基本上比观有技术的实现方式更紧凑，而且本专利技术提供的光学系统甚至可以容易地集成到具有专用配置的光学系统中，所以本专利技术提供的光学系统特别有利。被证明为对HMD设计有用的另一个光学功能是眼球追踪，或者是感测相对于头部方向的眼球正在注视的方向。通常的眼球追踪器会结合微型CCD相机以及用于照射瞳孔的红外LED。通过测量瞳孔的形状和位置的改变，可以察觉到观看者的眼睛正在注视的方向，一旦被校准就会具有非常适当的准确度。结合头部位置和眼睛位置的测量将解决现有的HMD技术中固有的问题，因为投射的符号和瞄准线会从属于(be slaved to)观看者正在注视的方向，从而保持现有的人体追踪行为。这对于将HMD和眼球追踪器组合到同一个光学模块中是有利的。所以，本专利技术的主要目的是减轻现有技术的紧凑型光学显示器装置的缺点，并根据特定需求提供具有改进性能的其他光学组件和系统。所以，根据本专利技术，提供了一种光学系统，包括：具有至少两个主表面和边缘的光传输基片，用于通过全内反射将光波耦合到该基片中的至少一个光学装置，由该基片支撑的至少两个部分反射表面，其中所述部分反射表面不平行于该基片的主表面，投射位于第一光谱内的光波的至少一个光源，和投射位于第二光谱内的光波的至少一个显示源，其特征在于，来自光源的光波和来自显示源的光波通过全内反射被耦合到该基片中。附图说明参照下面示出的附图，结合一些优选实施例来说明本专利技术，从而可以更完整地理解本专利技术。详细地参照具体的附图，应当强调，示出的细节是以举例的方式并且仅为了示意性说明本专利技术的优选实施例的目的，并且以提供被认为是最有用的内容和容易理解本专利技术原理及概念方面的描述的方式来呈现。就此而言，除对本发明的基本理解来说是必需的以外，不试图更详尽地示出本专利技术的结构细节。结合附图所作的说明是为了指导本领域技术人员可以在实际中如何实施本专利技术的若干种形式。在附图中：图1是现有技术的示例性的LOE的侧视图；图2A和图2B示出了针对两种入射角范围的、在本专利技术中使用的选择性(selectively)反射表面的期望的反射特性和透射特性；图3示出了示例性的介质涂层的作为入射角的函数的反射率曲线；图4是示出了示例性的选择性反射表面阵列的详细剖面图的示意图；图5示出了现有技术的眼镜HMD设备；图6示出了LOE的侧视图，显示了从眼睛散射的并被耦合回到LOE中的光波；图7示出了具体部分反射表面的作为波长的函数的反射率曲线；图8示出了另一个部分反射表面的作为波长的函数的反射率曲线；图9示出了两个不同的部分反射表面的作为入射角的函数的反射率曲线；图10示出了LOE的侧视图，显示了从眼睛散射的并被耦合回到LOE中的、穿过出射孔径而被耦合出去的光波；图11示出了LOE的侧视图，显示了从眼睛散射的并被耦合回到LOE中的光波，其中仅仅部分光线穿过出射孔径而被耦合出去；图12示出了在两个不同入射角时的反射滤光器的作为波长的函数的反射率曲线；图13示出了在两个不同入射角时的透射滤光器的作为波长的函数的反射率曲线；图14示出了结合来自显示源和光源的光波的光学系统；图15示出了偏振分束器的作为波长的函数的反射率曲线；图16示出了LOE的另一个实施例的侧视图，该LOE具有两个相邻的部分反射表面，用于将光波耦合输出到观看者的眼睛中。具体实施方式图1示出可在本专利技术中使用的现有技术的基片20和相关联的元件(在下文中也被称作“LOE”)的剖面图。诸如反射表面16的光学装置被从位于LOE后方的光源(未示出)发出光线的准直显示器18照射。反射表面16反射来自光源的入射光，从而通过全内反射将光限制(trap)在LOE的平面基片20内部。在基片20本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学系统，包括：具有至少两个主表面和边缘的光传输基片；用于通过全内反射将光波耦合到该基片中的至少一个光学装置；由该基片支撑的至少两个部分反射表面，其中所述部分反射表面不平行于该基片的主表面；投射位于第一光谱内的光波的至少一个光源，和投射位于第二光谱内的光波的至少一个显示源，其特征在于，来自光源的光波和来自显示源的光波通过全内反射被耦合到该基片中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.21 IL 2199071.一种光学系统，包括：
具有至少两个主表面和边缘的光传输基片；
用于通过全内反射将光波耦合到该基片中的至少一个光学装置；
由该基片支撑的至少两个部分反射表面，其中所述部分反射表面不平行于
该基片的主表面；
投射位于第一光谱内的光波的至少一个光源，和
投射位于第二光谱内的光波的至少一个显示源，
其特征在于，来自光源的光波和来自显示源的光波通过全内反射被耦合到
该基片中。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，第一光谱不同于第二光谱。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，第一光谱在近红外区域中。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，第二光谱在明视范围中。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，耦合到该基片内部的光波是第
一角谱和第二角谱的光波，并且位于第一角谱内的角度小于位于第二角谱内的
角度。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其中，第一部分反射表面对位于第一
光谱且第一角谱内的光波是部分反射的，并且对位于第二光谱且第一角谱和第
二角谱内的光波基本上是透明的。
7.根据权利要求5所述的光学系统，其中，第二部分反射表面对位于第二
光谱且第一角谱内的光波是部分反射的，并且对位于第一光谱且第一角谱和第
二角谱内的光波、以及位于第二光谱且所述第二光谱内的光波基本上是透明的。
8.根据权利要求6或7所述的光学系统，其中，第一部分反射表面和第二
部分反射表面将来自光源和显示源的光分别从该基片耦合出至观看者的眼睛
中。
9.根据权利要求6所述的光学系统，其中，第一部分反射表面通过全内反
射将从观看者的眼睛反射的并且位于第一光谱内的光波耦合到该基片中。
10.根据权利要求9所述的光学系统，还包括眼球追踪器，其中所述光源
是所述追踪器的一部分。
11.根据权利要求10所述的光学系统，其中，光学装置将从观看者的眼睛
反射的光波从该基片耦合出至所述眼球追踪器中。
12.根据权利要求11所述的光学系统，还包括附连到眼球追踪器或嵌入在
眼球追踪器中的光学检测器，其中，被耦合到眼球追踪器中的光波被聚焦到该
检测器中。
13.根据权利要求11所述的光学系统，还包括第一传输光导，其中，来自
光源和显示源的光波通过该传输光导被耦合到该基片中。
14.根据权利要求10所述的光学系统，其中，该传输光导是偏振分束器。
15.根据权利要求13所述的光学系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y·艾米泰，
申请(专利权)人：鲁姆斯有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列;IL