CN110402410B - 使用空间光调制器的近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及头戴式显示器形式的近眼显示装置显示装置。本发明更具体地涉及一种近眼显示装置(10)，其包括至少一个点光源(11)、至少一个空间光调制器(18)以及安装在所述近眼显示装置(10)上的至少一个反射器。

Description

使用空间光调制器的近眼显示装置

技术领域

本发明涉及头戴式显示设备形式的近眼显示装置。

背景技术

头戴式显示器(HWD)通常采用微型显示器，在该微型显示器上显示二维(2D)常规图像。由于微显示器和眼睛之间的物理距离通常远小于25cm(人眼通常可以聚焦的最近距离)，因此在视网膜上形成模糊图像，除非将中继光学器件置于其间。中继光学器件通常由若干透镜组成，这些透镜用于形成超过25cm(大部分在无穷远处)的微显示器的放大虚像，然后眼睛可以聚焦并在微显示器上形成清晰的视网膜图像。

采用微型显示器(例如仅使用单个放大镜镜头的微型显示器)的轻量级HWD设计主要受限于具有小视场(FOV)的***，因为对于大FOV设计，由于***了附加的组件以补偿像差而导致重量和体积增加。另一方面，高端军用型显示器可支持接近150度或更高的FOV，但其重量可能超过1千克并且可能包含10个以上不同的镜头，其中大部分镜头都是为了补偿因FOV放大而出现的像差。拥有如此多的镜头不仅仅是一个技术问题，而是一个基本的问题，因为没有单个光学元件可以设计成形成大尺寸微显示器的无像差图像，因为从微显示器上出现的信息在传播时很快就会在空间中传播。

另一方面，全息HWD与传统的基于微显示器的显示器相比具有许多优点。最重要的是，使用全息HWD，可以获得宽视场(FOV)、视网膜分辨率、失真和无像差3D图像、自然深度线索以及眼镜形状因子，这些都不可能与任何其他传统的HWD设计方法同时实现。

如果存在具有亚微米全复合像素的大尺寸(约5cm乘4cm)空间光调制器(SLM)，则全息HWD可以在大尺寸视框(10-15mm)内以视网膜分辨率容易地传送宽视场(约100-110度)图像。这样的***将自动处理用户的瞳孔运动。但是，今天不存在这样的SLM。在某个瞬间，当前存在的SLM可以仅在10-20度FOV内并仅针对4-5mm的视框提供高分辨率图像。

“空间光调制器”(SLM)通常是指可以动态编程以实现作为两个空间坐标和时间的函数的2D复数乘法光学透明度的设备。在全息显示器应用中，SLM主要部署用于显示计算机生成的全息图(CGHs)。通常存在的SLMs基于液晶技术、硅基液晶技术、MEMS基数字微镜阵列技术等。LCD SLMs是透射的，而LCoSSLMs是反射的。虽然理想情况下期望SLMs提供全复合调制，但实际的SLMs仅提供一些受限制的调制类型，例如仅相位、仅振幅、二进制调制等。已经设计了多种算法，例如迭代傅立叶算法、Gerschberg-Saxton算法、误差扩散等，以便将期望的全复数全息图编码成受限制形式的全息图。这些程序主要导致噪声和信号光束的出现。SLMs的另一个实际问题是大多数SLMs没有100％的调制效率，也就是说，只有一小部分入射光由SLMs调制而其余的光仍未调制。几乎所有SLMs都是像素化设备，导致产生信号、噪声和未调制光束的较高的衍射级复型。在全息HWD设计中，只有主信号光束应进入眼睛并到达视网膜，而应阻挡噪声光束、未调制光束以及更高衍射级复型。该要求需要采取附加的预防措施。

众所周知，“点光源”是理论概念，描述了具有完美空间相干性的光源。在全息显示器应用中，这种光源也应该是单色的，即仅产生单一波长。在实际环境中，“点光源”应理解为具有高度空间相干性(即，足够小的发射面积)以及高度时间相干性(即窄带光源)的光源。在彩色显示器应用中，需要三个这样的光源，每个颜色分量一个，或者点光源应该能够以时间顺序的方式提供三个波长。单模光纤耦合的RGB激光二极管或窄带小发射区域LED是实现这种光源的常用方式。然而，为了改善性能并促进***操作，在若干实施例中，优选点光源阵列中一次只有一个源有效的。

本发明技术领域的现有技术文献之一可以称为US5715337，其公开了一种紧凑型显示***，包括屏幕；光束转向机构；远离屏幕和光束转向机构的光源；至少一个波导管，波导管连接光源和屏幕，用于将光从光源传输到屏幕。光束转向机构与波导管和屏幕相关联，以用于扫描由波导管传输到屏幕上的光。有用于调制光源的调制器；以及用于使调制器与光束转向机构同步的子***，但只有波导管的远端和光束转向机构位于屏幕附近，从而产生可以安装在一副眼镜上的更紧凑型显示器。US 5715337提供了，仅波导管的远端和光束转向机构位于屏幕附近，从而产生可以安装在一副眼镜上的更紧凑型的显示器。

另一方面，本发明提供了一种近眼显示装置，包括多个点光源和至少一个空间光调制器形式的微显示装置，空间光调制器被定位成由至少一个光源点照射，所述至少一个微显示器装置将来自光源的光传输到可选的弧形反射器。

本发明利用了这样的事实：人眼的视敏度在可见FOV上是不均匀的，而相反在视线方向(从眼睛的转动中心指向眼睛瞳孔的中心的箭头的方向)上最高并逐渐减少。通常，FOV的位于视线周围约10度附近的部分与中心视觉相关联，并且FOV的其余部分与周边视觉相关联。诸如LCD电视和监视器或智能电话屏幕等的常见显示设备没有利用人眼的这种特性，而是在整个FOV中提供均匀的分辨率。这里公开的显示装置区分了中心视觉和周边视觉，并且传送具有不同分辨率的图像，使得其利用现有SLM设备的实施变得可行或更容易。

在每个操作时刻，所公开的显示装置将宽FOV图像传送到用户的眼睛。图像的形成中心视觉的部分由SLM传送并且是全息的，提供自然深度线索。图像的形成周边视觉的部分由常规显示器传送，并且分辨率低且模糊。

通常在文献中将提供高分辨率中心视觉和低分辨率周边视觉的显示器称为中央显示器。

本发明优选为中心凹形的HWD。

在中心凹形HWDs的设计中的挑战性的问题是处理眼睛瞳孔运动。当人类操纵他们的瞳孔(转动他们的眼球)时，他们在高视力下观察的FOV部分会发生变化。因此，中心凹形HWD应该能够与眼睛瞳孔一起在整个FOV内控制高质量的中心视觉图像。这项任务一般不容易。作为示例，可以假设能够提供大约10度瞬时FOV的SLM放置在开设于低分辨率LCD的孔内，并且组合结构(LCD和SLM)直接放置在眼睛几厘米之外的前方。这种显示器提供高分辨率全息中心视觉图像和低分辨率散焦***图像。然而，只有当用户看向SLM时，用户才能在高视力下看到全息图像。如果他看向液晶显示屏上的一个点，那么她/他在中心视觉中看不到高质量的图像，她/他无法感知高质量的由SLM提供的全息图像，因为SLM现在属于FOV的边缘部分。因此，为了处理眼睛瞳孔运动(或眼球转动)，组合结构(SLM和LCD)必须与眼睛瞳孔一起平移和/或转动，这是非常不切实际的。

因此，中心凹形的全息HWD设计通常需要***组件的机械运动。然而，在所公开的发明中，SLM的这种机械运动根本不是必需的。本发明通过其以眼睛为中心的设计实现了这一优点。该***的组件包括至少一个点光源、至少一个SLM、至少一个成像透镜。

本发明的目的

本发明的主要目的是提供一种头戴式显示装置形式的近眼显示装置。

本发明的另一目的是提供一种具有空间光调制器(SLM)的近眼显示装置，该空间光调制器位于弧形反射器的焦点处。

本发明的又一目的是用于将用户眼睛的中心定位在固定位置SLM构造中的弧形反射器的焦点处。

附图说明

附图仅仅是为了示例说明头戴式显示器形式的近眼显示装置，其优于现有技术的优点在上文列出并在下文中进行简要说明。

无需借助于本发明的描述中的技术公开，附图并不意味着界定权利要求中所确定的保护范围，也不应单独提及它们以试图解释所述权利要求中确定的范围，而。

附图仅在该意义上是示例性的，因为它们不一定反映任何***或子***的各个组件的实际尺寸和相对比例。

图1示出了根据本发明的包括光源、空间光调制器和成像透镜的近眼显示装置的一般示意图。

图2示出了在根据本发明的示例性设计的背景下突出显示以眼睛为中心的全息HWD的基本操作原理的近眼显示装置的一般示意图。

图3示出了根据本发明的具有眼动仪和计算机的近眼显示装置的一般示意图。

图4示出了根据本发明的双眼操作的近眼显示装置的一般示意图。

图5示出了根据本发明的眼睛直视前方的近眼显示装置的一般示意图。

图6示出了当眼睛处于转动运动时近眼显示装置的一般示意图。

图7示出了根据本发明的用于传送中心视觉图像的全息图计算过程。

图8示出了根据本发明的近眼显示装置的轴上光学结构。

图9示出了根据本发明的具有像素化SLM的近眼显示装置的一般示意图。

图10示出了根据本发明的出射光瞳孔平面上的场分布。

图11示出了根据本发明的针对转动的眼睛瞳孔位置操作的近眼显示装置的一般示意图。

图12示出了根据本发明的具有针对轴上光瞳配置显示的虚拟对象的近眼显示配置的一般示意图。

图13示出了根据本发明的用于离轴眼睛瞳孔位置的虚拟物点的重建。

图14示出了根据本发明的近眼显示装置的一般示意图，其中在***中使用第二空间滤波器，使得在它们到达光瞳平面之前滤除不需要的光束。

图15示出了根据本发明的近眼显示器的一般示意图，其中将有源光学空间滤波器重新配置以便适合于离轴光瞳位置。

图16示出了SLM的照射波可以是发散波以及准直波或会聚波。

图17示出了根据本发明的近眼显示装置的备选结构，其中SLM首先由缩倍器变换为变换后的SLM。

图18示出了根据本发明的近眼显示装置的备选结构，其中缩倍器由正透镜实施。

图19示出了根据本发明的近眼显示装置的一般示意图，其中通过放置在目镜和眼睛之间的分束器使该***透视。

图20示出了根据本发明的近眼显示装置的一般示意图，其中目镜透镜由椭圆体形式的反射器代替。

图21示出了根据本发明的近眼显示装置的一般示意图，其中目镜透镜由椭圆镜形式的反射器代替，并且缩倍器由凸镜实现。

图22示出了根据本发明的近眼显示装置的一般示意图，其中目镜透镜由椭圆镜形式的反射器代替，并且缩倍器由凹面镜实现。

图23示出了根据本发明的近眼显示装置的一般示意图，其中SLM是反射的而不是透射的。

图24示出了近眼显示装置的一般示意图，其中可转动棱镜光学元件放置在固定光源的前面。

图25示出了近眼显示装置的一般示意图，其中点光源用光纤耦合光源实施。

具体实施方式

以下数字用于指代本发明的具体实施方式中的各个部分和限定：

10)近眼显示装置

11)光源

12)弧形反射器

13)第一焦点

14)第二焦点

15)眼睛

16)照明透镜

17)眼睛转动中心

18)空间光调制器

19)眼睛瞳孔

20)成像透镜

21)空间光调制器图像

22)SLM图像平面

23)瞳孔***

24)计算机

25)光源阵列

26)视框

27)出射光瞳孔平面

28)中心视觉

29)周边视觉

30)显示器

31)高分辨率中央FOV

32)高分辨率扩展FOV

33)低分辨率***FOV

34)虚拟对象

35)中间图像

36)目镜镜头

37)未调制的光束

38)不需要的衍射级

39)视框衍射级

40)噪声光束

41)光学空间滤波器

42)缩倍器

43)变换的SLM

44)分束器

45)棱柱形光学元件

46)光纤耦合光源

通常，将显示虚拟场景并阻挡现实世界视图的***称为“虚拟现实”(VR)***，而将虚拟对象覆盖到现实世界对象上的***称为“增强现实”(AR)***。本发明公开了一种近眼显示装置(10)，其可设计/定制成以在VR和AR模式下操作。显示器的基本部件包括将在下文进行描述的光源(11)、空间光调制器(18)以及成像透镜(20)。

所述空间光调制器(18)在空间上调制来源于所述光源(11)的入射波的相位和/或幅度，并且由成像透镜(20)成像到空间光调制器图像平面(22)并且形成空间光调制器图像(21)，正如图1所示。

在优选实施例中，近眼显示装置(10)是单色显示设备，并且光源(11)仅产生单色的相干光波。在其他实施例中，近眼显示装置(10)是全色显示装置，并且光源(11)以时间顺序的方式产生不同波长的相干光波。在成像透镜(20)和空间光调制器图像平面(22)之间，***在出射光瞳孔平面(27)处形成视框(26)。在操作期间，用户的眼睛(15)定位成使得眼睛转动中心(17)大致与空间光调制器图像(21)的中心重叠，并且由***形成的视框(26)大致与用户的眼睛瞳孔(19)重叠。

在没有眼睛(15)的情况下，由空间光调制器(18)调制并由成像透镜(20)捕获的所有光线有助于形成空间光调制器图像(21)。应注意地是，这部分光线穿过视框(26)，而其余部分穿过出射光瞳孔平面(27)的视框(26)外部的部分。当如图1所示放置眼睛(15)，眼睛瞳孔(19)与视框(26)共轭时，只有光线的落入视框(26)内部的部分穿过眼睛瞳孔(19)并且有助于形成空间光调制器图像(21)，而其余光线在出射光瞳孔平面(27)处被阻挡，并且不会助于形成空间光模块图像(21)。因此，眼睛瞳孔(19)充当空间滤波器。

计算空间光调制器(18)上的计算机生成的全息图(CGH)，使得落入视框(26)内的光线等于从旨在向用户显示的一些虚拟对象出射的光线；由空间光调制器(18)产生的所有不需要的光束落在视框(26)之外并由眼睛瞳孔(19)滤出或由光学***中的其他部件从光源(11)阻挡到出射光瞳孔平面(27)。

由于空间光调制器图像(21)与眼睛转动中心(17)共轭，因此无论眼睛瞳孔(19)的位置如何，都存在这样的光线，该光线从空间光调制器(18)的中心射出，通过视框(26)的中心(通过空间光调制器(18)上显示的CGH与眼睛瞳孔(19)的位置对准)，穿过眼睛瞳孔(19)的中心，穿过空间光调制器图像(21)的中心，并落在视网膜上的中央凹的中心。因此，在光学结构没有任何改变(即没有机械运动)的情况下，显示器可以提供高分辨率的中心视觉。

在图2中，示出了这样的实施例，在该实施例中，成像透镜(20)由弧形反射器(12)实施，该弧形反射器(12)可以是放置在眼睛(15)前面的椭圆体或抛物面的一部分，使得眼睛转动中心(17)放置在弧形反射器(12)的一个焦点处。在弧形反射器(12)的另一个焦点处，放置空间光调制器(18)。以这种方式，空间光调制器图像(21)由弧形反射器(12)形成在眼睛转动中心(17)处。因此，只要用户朝向弧形反射器(12)上的点看(对于眼睛(15)看向的弧形反射器(12)上的每个点，可以找到从空间光调制器(18)的中心开始的光线，击中弧形反射器(12)上的那个点，得到反射并穿过眼睛瞳孔(19)和眼睛转动中心(17)的中心并落在视网膜上的中央凹的中心)，用户将看到空间光调制器(18)在他的中心FOV中。因此，对于眼睛瞳孔(19)的每个位置，空间光调制器(18)能够提供形成中心视觉的高分辨率全息图像，而不需要任何机械运动。

特定光源(11)产生单一波长的相干光波，其照射位于弧形反射器(12)的第一焦点(13)或第二焦点(14)上的空间光调制器(18)。从图3中可以看出，光学结构包括空间光调制器(18)、弧形反射器(12)，弧形反射器(12)放置成使得空间光调制器图像(21)形成在眼睛转动中心(17)。

该***的该部分形成眼睛瞳孔(19)的当前位置的中心视觉(28)。背景处的显示器(30)形成周边视觉(29)。与中心视觉(28)重叠的显示器(30)的一部分变暗，使得在该视场的该部分中，用户仅接收由空间光调制器(18)调制的光并且全息地形成中心视觉(28)。瞳孔***(23)通常在跟踪用户眼(15)的运动方面是有效的，并且计算机(24)实现对光源阵列(25)的控制。当用户在观看视觉内容期间移动他们的眼睛时，瞳孔***(23)向所述计算机(24)发送相应的信号以便以相应的光源(11)关闭并且另一个打开的方式操作光源阵列(25)。瞳孔***(23)通常可包括一个或多个相机、光源(例如，红外线式)，以及用于解释眼睛跟踪数据和控制计算机(24)的处理元件。

本发明提出了一种位于空间光调制器(18)的后面的光源阵列(25)，其包括多个并且优选至少三个光源(11)。光源阵列(25)用于照射空间光调制器(18)。在每个时刻，光源阵列(25)的至少一个光源(11)是有效的。照明透镜(16)可以放置在光源阵列(25)和空间光调制器(18)之间，以向空间光调制器(18)提供准直平面波或会聚照明。通常的空间光调制器(18)仅调制入射光的一部分，而入射光的一部分保持未调制。

选择光源阵列(25)的光源(11)，使得未调制的光束由眼睛瞳孔(19)滤除到最佳程度，并且感知的亮度最高。在空间光调制器(18)像素具有宽衍射锥并且空间光调制器(18)具有非常高(接近100％)的衍射效率的情况下，可选地仅使用一个有源光源(11)并且可选地舍弃光源阵列(25)。

在操作期间，附接到显示单元的瞳孔***(23)动态地跟踪用户的眼睛瞳孔(19)的位置并将数据发送到计算机(24)。计算机(24)根据检测到的眼睛瞳孔(19)的位置，将信号发送至(i)光源阵列(25)，使得选择正确的光源(11)，(ii)空间光调制器(18)，以便上传正确的内容并传送所需的中心视觉(28)图像和(iii)显示器(30)，以便上传正确的内容并传送所需的周边视觉(29)图像。

图3中的插图显示了***向用户传送的视网膜图像的形式。传送的整个视觉(FOV)由外部矩形框显示。在某一时刻，内圆显示形成中心视觉(28)的高分辨率中央视觉(31)。剩下的区域对应于周边视觉(29)。当用户转动他的眼睛(15)时，以高分辨率观看整个FOV的不同区域。内矩形框显示FOV的一部分，其中可以操纵高分辨率中心FOV(31)，并且称为高分辨率扩展FOV(32)。整个FOV的一部分总是以低分辨率传送，因此称为低分辨率周边FOV(33)。高分辨率扩展FOV(32)的范围由弧形反射器(12)的孔径大小确定。

图4示出了优选实施例的示例性全双眼视觉。可透射的弧形反射器(12)和空间光调制器(18)通过在眼睛转动中心(17)处形成空间光调制器图像(21)来形成可操纵的高分辨率全息中心视觉图像。显示器(30)形成模糊的低分辨率周边图像。如果显示器(30)也是可透射的，则***变为增强现实显示器。如果希望虚拟现实操作模式，则可以在显示器(30)和反射器(12)之间***中继透镜，使得也可以聚焦周边视觉图像。

图5示出了眼睛(15)看向前方的情况；空间光调制器(18)和弧形反射器(12)传送占据FOV中心部分的全息图像，在操作期间形成中心视觉(28)。显示器(30)的相应部分变暗。显示器(30)的其余部分上的图像形成低分辨率周边视觉(29)。

当眼睛(15)如图6所示转动时，空间光调制器(18)上的内容得到更新，以便以高质量传送现在对应于总FOV的倾斜部分的中心视觉(28)。同时，更新显示器(30)上的图像。显示器(30)的黑暗部分与中心视觉对准，而剩余部分形成周边视觉(29)。

图7示出了用于传送中心视觉图像的全息图计算过程。两个图都假设眼睛瞳孔(19)位置在轴上，即用户正向前看(向上)。左图示出了针对虚拟对象(34)的轴上点的过程，而右图示出了针对虚拟对象(34)的轴外点的过程。

对于出现在瞬时中心视觉FOV中的虚拟对象(34)，首先从虚拟对象(34)到眼睛瞳孔(19)跟踪光线(绕过弧形反射器(12))。然后，光线从眼睛瞳孔(19)向后追踪到弧形反射器(12)，然后到达空间光调制器(18)表面。撞击空间光调制器(18)表面的光线构成了需要在空间光调制器(18)上显示的由CGH产生的光线。因此，每个虚拟对象点的CGH证明是将照明光线转换成需要从空间光调制器(18)表面出射的光线的透镜项。通过叠加位于瞬时中心视觉FOV中的每个虚拟对象点的透镜项来获得总CGH。

在图7中还可以看到在弧形反射器(12)和空间光调制器(18)之间形成中间图像(35)。也就是说，空间光调制器(18)首先在空间光调制器(18)和弧形反射器(12)之间形成对应于所需3D虚拟对象(34)的失真和缩小版本的真实中间图像(35)。然后，弧形反射器(12)用作离轴目镜透镜(36)，并从真实中间图像形成放大和失真校正的虚像，其最终传送到眼睛。

图8描绘了根据本发明的实施例的基本轴上光学结构。从左到右，光学***包括光源阵列(25)、照明透镜(16)、空间光调制器(18)、目镜透镜(36)、眼睛瞳孔(19)以及用户的眼睛(15)，其中一次启动至少一个光源(11)。

用作成像透镜(20)的目镜透镜(36)在眼睛转动中心(17)处形成空间光调制器图像(21)。因此，在眼睛瞳孔(19)的每个位置处，空间光调制器(18)对于眼睛保持可见(只要用户朝向目镜透镜(36)上的点看)。换句话说，空间光调制器(18)可以在不改变光学结构(即没有机械运动)的情况下传送高分辨率的中心视觉图像。

照明光学***包括光源阵列(25)和照明透镜(16)。在给定时间，至少一个光源(11)将是启动的。在本发明的优选实施例中，通过照明透镜(16)从光源(11)得到的准直照射波击中空间光调制器(18)。通常，部分照明波形成在用户视网膜中产生目标3D图像的信号波，而部分照明波可以保持未调制，称为未调制光束(37)。在通过空间光调制器(18)之后，未调制的光束(37)保持准直。在优选实施例中，未调制光束(37)在眼睛瞳孔(19)外部的点处聚焦在光瞳平面上，因此被过滤并且不会到达用户的视网膜。

图9示出了目镜透镜(36)对空间光调制器(18)成像并形成空间光调制器图像(21)。在缺少眼睛(15)的情况下，从空间光调制器(18)射出并由目镜透镜(36)的孔径捕获的所有光线有助于形成空间光调制器图像(21)。从空间光调制器出射的光线通常与信号光束相关联，该信号光束设计用于在眼睛瞳孔平面上形成视框(26)并显示期望的3D虚拟对象或场景，与由于空间光调制器(18)的调制效率小于100％而产生的未调制光束(37)相关联，以及与由于可能的空间光调制器(18)限制，例如仅是相位或幅度，而产生的噪声(和共轭)光束相关联。假设空间光调制器(18)是像素化的，所有提到的光束实际上也具有更高的衍射级复型。

因此，在缺少用户的眼睛(15)的情况下，与所有这些光束相关联的光线(更准确地说，仅仅是由目镜透镜(36)孔径捕获的光线)都有助于形成空间光调制器图像(21)。然而，当用户的眼睛(15)放置成使得眼睛转动中心(17)变得与空间光调制器图像(21)一致时，用户的眼睛瞳孔(19)用作空间滤波器，空间滤波器选择从空间光调制器(18)出射的一些光线以有助于形成空间光调制器图像(21)，同时在其余的光线有助于形成空间光调制器图像(21)并落在视网膜上之前将它们阻挡。

理想地，眼睛瞳孔(19)平面上的光线分布应该使得对于给定的眼睛瞳孔(19)位置，仅与信号光束相关联的光线必须进入眼睛(15)并且有助于形成空间光调制器图像(21)并因此有助于形成最后的视网膜图像，而应滤除与所有其他光束相关联的光线，如噪声光束和更高的衍射级、未调制的光束和更高的衍射级、以及信号光束的更高的衍射级。在这方面，光学设计必须满足某些限制；应该计算在空间光调制器(18)上显示的CGH，使得在眼睛瞳孔(19)平面处形成的视框(26)与用户的眼睛瞳孔(19)共轭，户的眼睛瞳孔(19)的位置由瞳孔***(23)监测。

图9示出了适当设计的情况，其中未调制的光束(37)及其最近的更高衍射级复型(不需要的衍射级(38)之一)都落在眼睛瞳孔(19)之外，并提供清晰的在其间可以放置视框(26)的区域，在该视框(26)内可以形成信号波。当眼睛瞳孔(19)放置在该区域(视框(26))中时，仅所需的波进入眼睛(15)，并且不需要的光束被滤除。

为了使***起作用(即提供清晰的视网膜图像)，实际的空间光调制器(18)的较高衍射级复型需要在光瞳平面上分开超过眼睛瞳孔(19)的尺寸。因此，通过目镜透镜(30)优选地提供一定的缩倍。阐明该结果的另一种方式是认识到空间光调制器图像(21)可以被视为由***创建的新空间光调制器。这种新的空间光调制器(18)应该具有足够小的像素，以便当它被放置在眼睛转动中心(17)时，较高的衍射级复型被分开足够宽，使得通过眼睛瞳孔(19)可以在空间上过滤它们。

由目镜透镜(36)提供的缩倍取决于目镜(36)透镜和眼睛转动中心(17)之间的距离与空间光调制器(18)和目镜透镜(36)之间的距离的比例。因此，对于给定的眼睛间隙距离和空间光调制器(18)像素间距，空间光调制器(18)与目镜透镜(36)的距离存在最小限制，从而对***紧凑性施加限制。对于具有较小像素间距的空间光调制器(18)，可以使整个***更紧凑。

图10示出了出射光瞳孔平面(27)上的场分布。视框(26)仅包含似乎从3D虚拟对象或旨在向用户显示的场景中出现的光线。空间光调制器(18)上的CGH保证视框(26)仅包含这组光线。当使用显示装置时，用户的眼睛瞳孔(19)将大致与视框(26)重叠(理想地，眼睛瞳孔(19)应完全位于视框(26)内)以便用户只看到所需的内容。

除了视框(26)之外，出射光瞳孔平面(27)上的场分布可以包括由于空间光调制器(18)的像素化特性而出现的视框的更高衍射级复型。另外，将存在噪声光束(40)，即由于空间光调制器(18)的受限性质(例如仅相位或幅度等)而保留用于分配CGH编码噪声的区域。最后，如果空间光调制器(18)具有小于100％的衍射效率，则该场也包括未调制的光束(37)。应注意的是，对于像素化的空间光调制器(18)，未调制光束(37)也具有更高的不需要的衍射级(38)。

为了正确操作，眼睛瞳孔(19)应该能够在空间上滤除除信号光束之外的所有光束。也就是说，只有视框(26)中的光束应该进入眼睛，视框(26)的更高衍射级复型(视框衍射级(39))、未调制光束(37)、噪声光束(40)以及它们的更高衍射级复型(不需要的衍射级(38))必须被滤除。否则，用户观察到的视网膜图像将被背景噪声破坏并且移动所观看内容的重影复型。

***结构必须设计成当用户将他/她的眼睛(15)的转动中心(眼睛转动中心(17))放置在空间光调制器图像(21)的中心时，他/她应该能够用他的眼睛瞳孔消除所有不需要的光束(19)。在这方面，视框(26)应该大于用户的眼睛瞳孔(19)的最小预期尺寸，并且眼睛瞳孔(19)平面上的更高衍射级复型之间的间隔应该大于用户的眼睛瞳孔(19)的最小预期尺寸。

当用户转动他的眼睛(15)时，由眼睛瞳孔(19)捕获的新光线组仍然在眼睛转动中心(17)处形成空间光调制器图像(21)并且传播到视网膜以形成中心视觉图像。因此，在光学结构中没有任何机械运动&变化的情况下，***仍然提供全息中心视觉。

图11示出了在眼睛瞳孔(19)位置改变时***中所需的仅有的改变是光源阵列(25)中的光源(11)的改变。以这种方式，使空间光调制器(18)的未调制光束(37)及其更高的衍射级复型落在眼睛瞳孔(19)之外并被滤除。实际上，如果空间光调制器(18)具有100％的调制效率(一点都没出现未调制的光束(37))，则单个光源(11)而不是可切换的光源阵列(25)可能就足够了。在该选项中，可以通过增加用于轴外眼睛瞳孔(19)位置的光源(11)的功率来维持不同眼睛瞳孔(19)位置的亮度均匀性。

根据本发明的优选实施例，相应光源(11)的开/关操作模式因此直接取决于眼睛瞳孔(19)的位置。当相应光源(11)打开时，来自照明透镜(16)上的光源(11)的光由于其相对于透镜主轴和透镜焦线的相对取向而具有稍微偏移的角度。空间光调制器(18)在第一焦点上的预定静止位置确保在所述弧形反射器(12)上反射的图像到达用户眼睛(15)，用户眼睛(15)的中心配置为叠加在第二焦点上。如上所述，如果相应的光源(11)基于所述光瞳***(23)的输入而启动，则会发现这种配置大致补偿了眼睛瞳孔(19)的改变的取向。

空间光调制器(18)上的CGH也得到更新，使得视框(26)现在位于眼睛瞳孔(19)的当前位置，并且3D虚拟对象或场景的适当视图被显示给用户。

图12示出了***如何针对轴上眼睛瞳孔(19)位置显示虚拟对象。用倾斜准直波照射空间光调制器(18)。CGH的负责所显示的对象点的部分包括棱镜和透镜项，并且(部分地)将照射波转换成聚焦在目镜透镜(36)的后焦平面处的会聚波。换句话说，在目镜透镜(36)的后焦平面处产生中间图像(35)。目镜透镜(36)产生中间图像(35)的虚拟图像，其出现在用户的无限远处。在靠近目镜透镜(36)创建中间图像(35)的情况下，虚拟图像出现在比无限远更近的距离处。通过控制中间图像(35)与目镜透镜(36)的相对位置，显示器能够向用户显示在不同深度出现的3D对象。

还应注意地是，选择光源阵列(25)内的光源(11)使得其在光瞳平面上的图像(除非空间光调制器图像具有100％调制效率，否则将物理地创建该图像：未调制的光束(37))落在眼睛瞳孔(19)之外。

图13示出了用于轴外眼睛瞳孔(19)位置的虚拟对象点的重建。仅显示在用户的中央凹处成像的虚拟对象点。由于空间光调制器(18)成像到眼睛转动中心(17)(即，目镜透镜(36)在眼睛转动中心(17)处形成空间光调制器图像(21)的图像)，因此空间光调制器(18)可以在不改变***的光学构造并因此没有机械运动的情况下显示中心视觉图像。与前一种情况的主要区别在于，修改进的CGH在轴外位置产生中间图像(35)。光源阵列(25)的光源(11)也得到改变，使得其在光瞳平面上的图像落在眼睛瞳孔(19)之外，因此被滤除。

图14示出了一个实施例，其中在***中使用第二空间滤波器(光学空间滤波器(41))，使得不需要的光束在到达光瞳平面之前被滤除。类似于先前的实施例，空间光调制器(18)由目镜透镜(36)成像，并且空间光调制器图像(21)形成在眼睛转动中心(17)。

在优选实施例中，光源阵列(25)并且因此光源(11)通过改进的照明透镜(16)在不同于眼睛瞳孔(19)平面的平面处成像，其中有源光学空间滤波器(32)放置在该不同于眼睛瞳孔(19)平面的平面。光学空间滤波器(41)可以实施为开窗口被转向的二值化液晶快门。这样的开窗口阻挡未调制的光束(37)和其他更高级的复型，并且仅通过将到达眼睛瞳孔(19)并形成视网膜图像的信号波。

一种选择是将光学空间滤波器(41)放置在中间图像平面上，但这不是唯一的选择。通常，光学空间滤波器(41)可以放置在任何平面上，在该平面上便于筛选不需要的光束和信号光束。在特定选择中，光学空间滤波器(41)可以附接到目镜透镜(36)或直接在目镜透镜(36)上实施。

对于图15中所示的轴外眼睛瞳孔(19)位置，有源光学空间滤波器(41)重新配置成使得开窗口被移位到相应的离轴位置以使移位的信号波通过。在到达眼睛瞳孔(19)之前消除信号波和未调制光束(37)的更高级的复型。应注意的是，光源阵列(25)内的光源(11)照常按照眼睛瞳孔(19)的位置进行切换。

图16示出了空间光调制器(18)的照射波可以是发散波以及准直或会聚波。在该特定示例性实施例中，在空间光调制器(18)和光源阵列(25)之间没有放置透镜；因此，来自光源(11)的发散波直接照射空间光调制器(18)。为了获得最佳的瞳孔滤波性能，目镜透镜(36)应该在瞳孔位置外在眼睛瞳孔(19)平面上形成点光源(11)的图像(即，未调制的光束(37)应该聚焦在眼睛瞳孔(19)平面上)。在点光源未在眼睛瞳孔(19)平面上成像的情况下，未调制光束(37)的一些部分可落入眼睛瞳孔(19)内并部分地破坏视网膜图像。而且，空间光调制器(18)上的全息图应该根据发散的照射波来计算。除此之外，***按照之前的情形起作用。

图17示出了备选的结构，其中空间光调制器(18)首先由缩倍器(42)(在这种情况下为负透镜)变换成变换的空间光调制器(43)。所述变换的空间光调制器(43)在该图中是实际空间光调制器(18)的虚拟缩小图像，所述变换的空间光调制器(43)具有较小的尺寸和较小的像素间距。现在，目镜透镜(36)设计成在眼睛转动中心(17)处对变换的空间光调制器(43)成像。

由于其较小的像素间距，缩倍的虚拟空间光调制器(43)的衍射级别比实际空间光调制器(18)更快地分离。以这种方式，目镜透镜(36)的缩倍量要求被放宽，并且整个***可以变得更紧凑。

图18示出了备选的结构，其中缩倍器(42)由正透镜实施。变换的空间光调制器(43)现在变得等效于实际空间光调制器(18)的实际、缩小和反转图像。然后，通过目镜透镜(36)将变换的空间光调制器(43)成像到眼睛转动中心(17)。

图19示出了图8的变型，其中***由放置在目镜透镜(36)和眼睛(15)之间的分束器(44)透视。分束器(44)的透明特性使得增强现实操作模式成为可能。

图20示出了图8中的结构的离轴形式，其中目镜透镜(36)由椭圆形的弧形反射器(12)代替。其他的离轴变化可以用抛物面镜或平面衍射离轴菲涅耳透镜代替目镜透镜(36)。

图21示出了图17中的结构的离轴形式，其中目镜透镜(36)由椭圆形镜子形式的弧形反射器(12)代替，并且缩倍器(42)由凸面镜实施。注意地是，变换的空间光调制器(43)形成在缩倍器(42)的后面，并且等效于实际空间光调制器(18)的缩小的虚拟图像。

图22示出了图18中的结构的离轴形式，其中目镜透镜(36)由椭圆形镜子形式的弧形反射器(12)代替，而缩倍器(42)由凹面镜实现。注意地是，变换的空间光调制器(43)形成在缩倍器(42)的后面，并且等效于实际空间光调制器(18)的放大的虚像。尽管它被放大，但是变换的空间光调制器(43)出现在距弧形反射器(12)较大的距离处，因此在眼睛转动中心处形成的空间光调制器(21)的图像的尺寸(17)可以根据需要进行控制。

图23示出了图20中的结构的一种形式，其中空间光调制器(18)是反射的而不是透射的。在所有呈现的配置中，反射和透射空间光调制器(18)可以与诸如分束器的组件的修改或包含一起使用。

图24示出了一个实施例，其中可转动的棱镜光学元件(45)放置在固定光源(11)的前面，以便实施光源阵列(25)的功能并跟随用户的眼睛瞳孔的运动(19)。可转动棱镜光学元件(45)有效地形成点光源(11)的出现在相同深度的偏移虚像。通过改变可转动光学元件的棱镜的转动角度，点光源的虚像可以在光源的平面上转向。在可转动棱镜光学元件(45)由单个棱镜组成的情况下，点光源(11)的虚像可以在圆上转向。如果第二棱镜与第一棱镜结合使用，则第一棱镜确定中心位置，第二棱镜能够在围绕该中心的圆形路径上转向，并且以这种方式可以实现更宽范围的点。

可转动棱镜光学元件也可以放置在照明透镜(16)和空间光调制器(18)之间，或者放置在光源(11)和眼睛瞳孔(19)平面之间的任何平面上。在一些实施例中，多个可转动棱镜元件(每个棱镜元件由一个或多个棱镜组成)可以布置在光学***中在点光源(11)和出射光瞳孔平面(27)之间的若干位置处。

图25示出了点光源(11)用光纤耦合光源(46)实施的实施例。可以致动光纤的尖端以在平面或曲面上移动，以便跟随用户的眼睛瞳孔(19)的运动。

在一些实施例中，空间光调制器(18)数据在显示时实时计算。在这些实施例中，电子模块计算空间光调制器(18)数据并用空间光调制器数据驱动空间光调制器(18)以实时地创建虚拟场景。实时空间光调制器(18)数据可以是头部跟踪数据、瞳孔跟踪数据以及环境数据的函数。

在其他实施例中，空间光调制器(18)数据被预先计算并存储以在显示时检索。例如，可以预先计算和存储整个虚拟环境的空间光调制器(18)数据。当用户遍历虚拟环境时，检索并显示适当的空间光调制器(18)数据。

在更进一步的实施例中，空间光调制器(18)数据的一部分是预先计算的，并且空间光调制器(18)数据的一部分是实时计算的。如下所述，提出了包括光调制器单元和光学成像的近眼显示装置(10)：

近眼显示装置(10)包括光调制器单元和光学成像模块。所述光调制器单元包括至少一个光源(11)和空间光调制器(18)，空间光调制器(18)显示计算机产生的全息图以空间地调制从所述光源(11)入射的光。此外，所述光学成像模块包括至少一个成像透镜(20)，其捕获由空间光调制器(18)调制的光线并在空间光调制器图像平面(22)处形成空间光调制器图像(21)。

简而言之，本发明提出一种近眼显示装置(10)，其包括多个光源(11)，至少一个空间光调制器(18)，其调制从照射所述空间光调制器(18)的所述至少一个光源(11)接收的光，以及至少一个成像透镜(20)，其捕获由空间光调制器(18)调制的光线并在空间光调制器图像平面(22)处形成空间光调制器图像(21)，使得当使用显示器时，所述空间光调制器图像平面(22)与用户眼睛(15)的眼睛旋转中心(17)共轭。

在本发明的一个方面，光调制器单元包括至少一个光源(11)、空间光调制器(18)，空间光调制器(18)显示计算机产生的全息图，以对从所述一个光源(11)入射的光进行空间地调制。

在本发明的另一方面，所述光学成像模块包括至少一个成像透镜(20)，其捕获由空间光调制器(18)调制的光线并在空间光调制器图像(21)平面处形成空间光调制器图像(22)；并且其中空间光调制器图像(21)大致与人眼(15)的眼睛转动中心(17)重叠；并且其中所述成像透镜(20)相对于所述人眼(15)的眼睛瞳孔(19)设置，使得在成像透镜(20)和所述空间光调制器像平面(22)之间的出射光瞳面(27)上形成视框(26)；并且其中所述眼睛瞳孔(19)完全位于所述视框(26)内。

在本发明的另一个方面，所述光源(11)根据眼睛瞳孔(19)的位置一次被激活，使得所述眼睛瞳孔(19)完全位于所述视框(26)内部并且所述眼睛旋转中心(17)大致上与空间光调制器图像(21)的中心重叠。

在本发明的另一方面，计算由所述空间光调制器(18)显示的计算机生成的全息图，使得在出射光瞳孔平面(27)处形成的视框(26)由新的计算机产生的全息图根据眼睛瞳孔(19)的新位置而移位。

在本发明的另一方面，所述出射光瞳孔平面(27)包括视框(26)和所述视框的不需要的复型，视框(26)的不需要的复型的中心距离视框(26)的中心至少2mm，并且从出射光瞳孔平面(27)到空间光调制器图像(21)的距离是在8-14mm范围内。

在本发明的另一方面，所述装置还包括具有周边视觉(29)区域的显示器(30)，周边视觉(29)区域围绕由所述空间光调制器(18)提供的中心视觉(28)区域。

在本发明的另一方面，所述周边视觉(29)区域提供预定的分辨率视觉，并且所述周边视觉在所述显示器(30)的中心视觉(28)区域中变暗。

在本发明的另一方面，所述显示器(30)是可透射的。

在本发明的另一方面，所述成像透镜(20)是弧形反射器(12)。

在本发明的另一方面，所述弧形反射器(12)是可透射的。

在本发明的另一方面，所述空间光调制器(18)在空间上调制来自光源(11)的入射光的相位、强度或其组合。

在本发明的另一方面，所述弧形反射器(12)是几何形状件的一部分，所述几何形状件包括椭圆形或自由形状的光学表面，所述光学表面放置在眼睛(15)的前面，使得所述眼睛转动中心(17)被放置在几何形状件的一个焦点处，并且空间光调制器(18)放置在几何形状件的另一个焦点处。几何形状件是反射或部分反射或半穿透式的反射光学元件。在优选实施例中，几何形状件具有在预定光源波长处的波长选择性光学反射涂层或全息涂层。

在本发明的另一方面，所述装置包括跟踪眼睛瞳孔(19)位置的位移的瞳孔***(23)，并且计算机(24)实现对光源阵列(25)中的所述至少一个光源(11)的控制。

在本发明的另一方面，所述光源(11)耦合到光纤。

在本发明的另一方面，所述光源(11)可响应于眼睛瞳孔(19)的位置的变化而移动。

在本发明的另一方面，至少一个光源(11)是可移动以跟随眼睛瞳孔(19)的位移的光纤。

在本发明的另一方面，根据检测到的眼睛瞳孔(19)位置，计算机(24)向所述光源阵列(25)发送信号，使得一次选择性地启动一个光源(11)，向空间光调制器(18)发送信号使得上传新的计算机生成的全息图，以及向显示器(30)发送信号使得布置期望的周边视觉(29)区域并且传送期望的周边视觉(29)图像。

在本发明的另一方面，可转动的棱镜光学元件(45)用在光源和出射光瞳孔平面之间的光学***中，以跟随眼睛瞳孔(19)的位移。

在本发明的另一方面，照明透镜(16)放置在光源(11)和空间光调制器(18)之间，以向空间光调制器(18)提供准直平面波或会聚照明。

在本发明的另一方面，来自于光源(11)的准直照射波经由照明透镜(16)撞击空间光调制器(18)并且未调制的光束(37)形式的照明波的一部分在从空间光调制器(18)通过之后保持准直，以便在眼睛瞳孔(19)外部的点处聚焦在出射光瞳孔平面(27)上。

在本发明的另一方面，成像透镜(20)是轴上目镜透镜(36)或离轴目镜透镜(36)。

在本发明的另一方面，空间光调制器(18)的较高衍射级复型以超出出射光瞳孔平面(27)上的眼睛瞳孔(19)大小分开，其方式是所述空间光调制器图像(21)具有足够小的像素，其中当它被放置在眼睛转动中心(17)时，所述较高衍射级复型被分开足够宽以被眼睛瞳孔(19)空间滤波。

在本发明的另一方面，目镜透镜(36)和眼睛转动中心(17)之间的距离与空间光调制器(18)和目镜透镜(36)之间的距离的比例是可变的，以调节缩倍量。

在本发明的另一方面，视框(26)大于眼睛瞳孔(19)的最小预配置尺寸，并且眼瞳(19)平面上的较高衍射级复型之间的间隔大于眼睛瞳孔(19)的最小预配置尺寸。

在本发明的另一方面，以缩倍器(42)形式的负透镜以这种方式放置在空间光调制器(18)和成像透镜(20)之间，该方式为空间光调制器(18)首先由所述缩倍器(42)变换成变换的空间光调制器(43)，并且所述成像透镜(20)配置成在眼睛旋转中心(17)处对所述变换的空间光调制器(43)成像。

在本发明的另一方面，所述成像透镜(20)由椭圆形镜子形式的弧形反射器(12)替代，并且缩倍器(42)由凸面镜实施，使得变换的空间光调制器(43)在缩倍器(42)后面形成。

在本发明的另一方面，该装置包括在目镜透镜(36)和空间光调制器(18)之间的有源光学空间滤波器(41)，以在不需要的光束到达出射光瞳孔平面(27)之前将其滤除。

在本发明的另一方面，光学空间滤波器(41)是二值化液晶快门，所述二值化液晶快门的开窗口是可操纵的。

在本发明的另一方面，计算所述空间光调制器(18)数据以在显示时实时地创建虚拟场景。

在本发明的另一方面，所述实时空间光调制器(18)数据是头部跟踪数据、瞳孔跟踪数据或环境数据的函数。

在本发明的另一方面，所述近眼显示装置(10)是单色显示设备，并且光源(11)产生单色的相干光波。

在本发明的另一方面，所述近眼显示装置(10)是全色显示设备，并且光源(11)以时间顺序的方式产生不同波长的相干光波。

在本发明的另一方面，所述光源阵列(25)位于空间光调制器(18)的后面，并包括至少三个光源(11)。

在本发明的另一方面，光学空间滤波器(41)放置在目镜透镜(36)和空间光调制器(18)之间形成的中间图像平面上。

在本发明的另一方面，光学空间滤波器(41)附接到所述目镜透镜(36)上或直接实施在所述目镜透镜(36)上。

在本发明的另一方面，缩倍器(42)形式的正透镜放置在空间光调制器(18)和成像透镜(20)之间。

在本发明的另一方面，成像透镜(20)由椭圆形镜子形式的弧形反射器(12)替代，而缩倍器(42)由凹面镜实施，使得变换后的空间光调制器(43)在缩倍器(42)后面形成。

在本发明的另一方面，分束器(44)放置在目镜(36)和眼睛(15)之间。

在本发明的另一方面，所述成像透镜(20)是弧形反射器(12)、抛物面镜或在近眼显示装置(10)的离轴配置中的平面衍射离轴菲涅耳透镜。

在本发明的另一方面，所述空间光调制器(18)是反射的或透射的。

在本发明的另一方面，所述光源(11)彼此等距离地间隔开。

在本发明的另一方面，提出了一种包括近眼显示装置(10)的可头戴显示设备。

Claims (41)

1.一种近眼显示装置(10)，包括光调制器单元和光学成像模块，其特征在于：

所述光调制器单元包括至少一个光源(11)、空间光调制器(18)，所述空间光调制器(18)显示计算机产生的全息图，以对从所述一个光源(11)入射的光进行空间地调制；

所述光学成像模块包括至少一个成像透镜(20)，所述成像透镜(20)捕获由所述空间光调制器(18)调制的光线，并在空间光调制器图像平面(22)处形成空间光调制器图像(21)；

其中，所述空间光调制器图像(21)与人眼(15)的眼睛转动中心(17)重合；

其中，所述成像透镜(20)相对于所述人眼(15)的眼睛瞳孔(19)设置，使得在所述成像透镜(20)和所述空间光调制器图像平面(22)之间的出射光瞳孔平面(27)处形成视框(26)，以及；

其中，当所述近眼显示装置(10)在使用时，所述眼睛瞳孔(19)完全位于所述视框(26)内。

2.如权利要求1所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，根据所述眼睛瞳孔(19)位置一次启动至少一个所述光源(11)，使得所述眼睛瞳孔(19)完全位于所述视框(26)内，并且所述眼睛转动中心(17)与所述空间光调制器图像(21)的中心重叠。

3.如权利要求1或2所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，计算由所述空间光调制器(18)显示的计算机生成的全息图，使得在所述出射光瞳孔平面(27)处形成的所述视框(26)根据所述眼睛瞳孔(19)的新位置由新的计算机生成的全息图移位。

4.如权利要求1所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述出射光瞳孔平面(27)包括视框(26)和所述视框的不需要的衍射级，所述视框(26)的不需要的衍射级的中心距所述视框(26)的中心至少2mm，并且从所述出射光瞳孔平面(27)到所述空间光调制器图像(21)的距离在8-14毫米范围内。

5.如权利要求1或4所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述装置还包括具有周边视觉(29)区域的显示器(30)，所述周边视觉(29)区域围绕由所述空间光调制器(18)提供的中心视觉(28)区域。

6.如权利要求5所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述周边视觉(29)区域提供预定的分辨率视觉并且所述周边视觉在所述显示器(30)的所述中心视觉(28)区域变暗。

7.如权利要求6所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述显示器(30)是部分可透射的。

8.如前述权利要求1、2或4中任一项所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述成像透镜(20)由弧形反射器(12)替代。

9.如权利要求8所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述弧形反射器(12)是部分可透射的。

10.如前述权利要求1、2或4中任一项所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述空间光调制器(18)在空间上调制来自所述光源(11)的入射光的相位、强度或其组合。

11.如权利要求9所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述弧形反射器(12)是由椭圆形或自由形状的光学表面组成的几何形状件的一部分，所述光学表面位于所述人眼(15)的前面使得所述眼睛转动中心(17)放置在所述几何形状件的一个焦点处，并且所述空间光调制器(18)放置在所述几何形状件的另一个焦点处。

12.如权利要求1、2或4中任一项所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述装置包括瞳孔***(23)，所述瞳孔***(23)跟踪所述眼睛瞳孔(19)位置的位移，并且计算机(24)实现对光源阵列(25)中的所述至少一个光源(11)的控制。

13.如前述权利要求1、2或4中任一项所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述光源(11)与光纤耦接。

14.如前述权利要求1、2或4中任一项所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述光源(11)能够响应于所述眼睛瞳孔(19)的位置变化而移动。

15.如前述权利要求中1、2或4任一项所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，至少一个光源(11)是光纤，所述光纤是能够移动的以跟随所述眼睛瞳孔(19)的位移。

16.如权利要求12所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，根据检测到的所述眼睛瞳孔(19)位置，计算机(24)将信号发送至：

(i)所述光源阵列(25)，以便一次选择性地启动一个光源(11)，

(ii)空间光调制器(18)，以便上传新的计算机生成的全息图，以及

(iii)显示器(30)，以便布置期望的周边视觉(29)区域并且传送期望的周边视觉(29)图像。

17.如前述权利要求16所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，在所述光源和所述出射光瞳孔平面之间的光学***中使用能够转动的棱镜光学元件(45)，以跟随眼睛瞳孔(19)的位移。

18.如前述权利要求17所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，在所述光源(11)和所述空间光调制器(18)之间放置照明透镜(16)以向所述空间光调制器(18)提供准直平面波或会聚照明。

19.如权利要求18所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，来源于所述光源(11)的准直照射波经由所述照明透镜(16)撞击所述空间光调制器(18)，并且未调制的光束(37)形式的照明波的一部分在从所述空间光调制器(18)通过之后保持准直，以便在所述眼睛瞳孔(19)外部的点处聚焦在所述出射光瞳孔平面(27)上。

20.如前述权利要求19所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述成像透镜(20)是轴上或离轴目镜透镜(36)。

21.如前述权利要求20所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，空间光调制器(18)的衍射级在所述出射光瞳孔平面(27)上通过所述空间光调制器图像(21)具有足够小的像素的方式以大于所述眼睛瞳孔(19)的尺寸被分割开，其中，当所述衍射级被放置在所述眼睛转动中心(17)处，所述衍射级被分开足够宽以被眼睛瞳孔(19)空间过滤。

22.如权利要求20所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述目镜透镜(36)和眼睛转动中心(17)之间的距离与空间光调制器(18)与所述目镜透镜(36)之间的距离的比例是能够变化的以调节缩倍量。

23.如前述权利要求21所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述视框(26)大于所述眼睛瞳孔(19)的最小预配置尺寸并且眼睛瞳孔(19)平面上衍射级之间的间隔大于所述眼睛瞳孔(19)的最小预配置尺寸。

24.如权利要求1所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，缩倍器(42)形式的负透镜以空间光调制器(18)首先被所述缩倍器(42)变换成变换的空间光调制器(43)的方式放置在所述空间光调制器(18)和所述成像透镜(20)之间，并且所述成像透镜(20)配置成在所述眼睛转动中心(17)处对所述变换的空间光调制器(43)成像。

25.如权利要求24所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述成像透镜(20)由椭圆镜形式的弧形反射器(12)代替，并且所述缩倍器(42)通过凸面镜实施，使得所述变换的空间光调制器(43)形成在所述缩倍器(42)的后面。

26.如权利要求20所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述装置包括在所述目镜透镜(36)和所述空间光调制器(18)之间的有源光学空间滤波器(41)，以在不需要的光束到达出射光瞳孔平面(27)之前将其滤除。

27.如权利要求26所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述有源光学空间滤波器(41)是二值化液晶快门，所述二值化液晶快门的开窗口是能够转向的。

28.如前述权利要求16所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，计算所述空间光调制器(18)数据以在显示所述空间光调制器(18)数据时实时地创建虚拟场景。

29.如权利要求28所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述空间光调制器(18)数据是头部跟踪数据、瞳孔跟踪数据或环境数据的函数。

30.如前述权利要求1、2或4中任一项所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述近眼显示装置(10)是单色显示装置，并且光源(11)产生单色的相干光波。

31.如前述权利要求1、2或4中任一项所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述近眼显示装置(10)是全色显示设备，并且光源(11)以时间顺序的方式产生不同波长的相干光波。

32.如权利要求12所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述光源阵列(25)位于所述空间光调制器(18)的后面，并且包括至少三个光源(11)。

33.如权利要求26或27所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述有源光学空间滤波器(41)放置在所述目镜透镜(36)和所述空间光调制器(18)之间形成的中间图像平面上。

34.如权利要求26或27所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述有源光学空间滤波器(41)附接在所述目镜透镜(36)上或直接实施在所述目镜透镜(36)上。

35.如权利要求1所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，在所述空间光调制器(18)和所述成像透镜(20)之间放置缩倍器(42)形式的正透镜。

36.如权利要求35所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述成像透镜(20)由椭圆镜形式的弧形反射器(12)代替，并且所述缩倍器(42)通过凹面镜实施，使得变换的空间光调制器(43)形成在所述缩倍器(42)的后面。

37.如权利要求20所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，在所述目镜透镜(36)和人眼(15)之间放置分束器(44)。

38.如权利要求1、2或4所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述成像透镜(20)为抛物面镜、或者所述成像透镜(20)为所述近眼显示装置(10)的离轴配置中的平面衍射离轴菲涅耳透镜。

39.如权利要求38所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述空间光调制器(18)是反射的或透射的。

40.如权利要求32所述的近眼显示装置(10)，其特征在于，所述光源(11)彼此等距离地间隔开。

41.一种头戴式显示装置，其包括如上述任一权利要求所述的近眼显示装置(10)。

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