CN118276214A - 用于投射由屏幕形成的图像的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于将图像投射到眼睛(O)上的设备(1)，包括：‑沿着各个发射轴线的光发射器；‑光学组合器(30)，其被配置为从每个光波形成准直光波；该设备使得：‑光发射器包括定向屏幕(10)，定向屏幕包括各个像素(10_i)，像素被配置为沿着预定义的发射轴线发射发散光波；‑组合器具有物焦平面；‑定向屏幕放置在组合器的物焦平面；‑光学组合器被配置为接收由像素发射的每个光波并形成朝向中心位置(C3)传播的准直光波；‑定向屏幕的各个像素的相应的发射轴线会聚到组合器下游的同一目标点。

Description

用于投射由屏幕形成的图像的设备

技术领域

本发明的技术领域涉及定向屏幕及其在用于将图像投射到眼睛上的设备中的使用，例如在增强现实应用中。

背景技术

可穿戴增强现实设备(例如眼镜)允许在查看补充信息的同时观察真实场景。这种类型的设备通常基于微显示器，允许在紧邻用户眼睛形成图像。这种微显示器可以例如集成到一副眼镜中。包括一组透镜的光学***允许眼睛感知清晰的图像。

专利US9632317，以及Martinez出版物“See-trough holographic retinalprojection display concept”，Optica,Vol.5No.10,2018年10月，描述了一种无需屏幕或光学***即允许投射到眼睛视网膜上的设备。该设备包括由纳米级光导阵列、电极阵列和全息膜组成的透明集成光学电路。这种设备紧凑，并且允许获得大视场。此外，它还可以不使用设计复杂的笨重光学***。

光导允许在全息膜上限定一组发射点，每个点都能够被从一个光导提取的光照射。该组发射点被细分为各种子组，每个子组包括尽可能随机地分布在全息膜上的发射点。给定子组的发射点可以同时被各种光导照射。在照射的作用下，同一子组的每个发射点发射光波，该光波沿给定方向传播到眼睛的瞳孔，从而在视网膜上形成单个光斑。以这种方式，发射点的每个子组允许形成用户感知的图像的像素。可以通过连续照射点的各个子组来形成图像，以便形成包括大量像素的图像。

这种配置使得可以形成非常紧凑的设备。然而，这预示着使用大量不同的激光源。

已经描述了允许使用紧凑设备将图像投射到眼睛上的其他技术。例如，专利US10254547描述了一种包括用于投射虚拟图像的设备的望远镜。其工作原理在图1示意性地示出。光发射器E放置在一副眼镜的框架M上。光发射器E产生朝向全息反射器H传播的光束F。全息反射器H形成在眼镜的透镜上。其被配置为将每个光束反射向用户的眼睛O的瞳孔P。光发射器由耦合到可移动镜的光源形成。可移动镜移动，从而依次形成扫描全息反射器的光束。因此，用户感知到各种角度方向的反射光束。当扫描期间调制每个光束的强度时，用户感知到图像。

其他文献描述了其中光束扫描全息反射器的配置。例如可以提及US2019/0285897或US20180299680。

基于扫描的配置的一个缺点是视窗(eye box)尺寸小。视窗是眼睛可以在其中移动同时仍然感知锐利图像的空间。当眼睛旋转以扫描视场时，眼睛的运动可以是动态的。这也可能由于瞳孔间距离之间的差异而从一个用户到另一个用户有所不同。对于小视窗，设备可能适合一个用户，但不适合另一个用户，例如，如果这两个用户具有不同的瞳孔间距离。

另一个缺点与需要使用机械***来执行扫描有关。机械扫描***和移动组件的使用增加了设备的复杂性和成本。

发明人提供了一种上述基于扫描的投射设备的替代配置。目的是提供一种无需移动组件的方案，同时通过增加视窗尺寸来提高使用舒适度。

发明内容

本发明的一个主题是一种用于将图像投射到眼睛上的设备，该设备包括：

-光发射器，其被配置为沿着各个相应的发射轴线发射光波；

-光组合器，其光学耦合到该光发射器，并且被配置为从由光发射器发射的每个光波形成朝向眼睛的瞳孔传播的准直光波；

该设备的特征在于：

-组合器具有物焦平面；

-光发射器包括定向屏幕，该定向屏幕包括各个像素，每个像素被配置为沿着预定义的发射轴线发射发散光波，该光波传播以与发射轴线形成预定义的发散角；

-定向屏幕放置在组合器的物焦平面；

-光组合器被配置为接收由像素发射的每个光波并形成朝向可能被眼睛的瞳孔占据的位置传播的准直光波；

-定向屏幕的各个像素的相应的发射轴线会聚到组合器下游的同一目标点；

-由组合器形成的目标点的图像对应于可能被眼睛的瞳孔占据的位置。

根据一种可能性，屏幕包括堆叠，该堆叠包括：

-光导，每个光导耦合到分布在光导的长度上的多个衍射光栅，每个衍射光栅都是能够电调制的，每个衍射光栅被配置为被电调制以便提取通过光导传播的光；

-电极，每个电极与分别耦合到各个光导的多个衍射光栅相关联，每个电极被配置为调制与其相关联的每个衍射光栅；

屏幕的每个像素对应于电极和耦合到光导的衍射光栅之间的关联；

使得，在从光导提取的光的照射的作用下，每个像素被配置为发射围绕像素的发射轴线传播的发散光波，从而形成由围绕像素的发射轴线的发散角来定义的发射锥。

屏幕可以包括全息膜，其被细分为各个基本区域，每个基本区域与一个像素的衍射光栅相关联，并且被配置为在与其相关联的衍射光栅所提取的光的作用下沿着像素的发射轴线和发散角来发射发散光波。

根据一个实施例：

-多个光导连接到同一光源；

-光调制器位于光源和每个光导之间，以调制由光源发射并馈送到光导的光的强度。

屏幕可以包括多个光源，每个光源光学连接到多个光导。各个光源可以被配置为发射各个相应波长的光。

像素可以布置为：

-行，每一行由一个光导限定，该光导在该行中的各个像素的长度上延伸；

-列，每一列由一个电极限定，该电极在该列的长度上的各个像素的长度上延伸。

根据一个实施例：

-组合器围绕光学轴线延伸；

-屏幕的像素被分割成像素组；

-给定像素组的像素的发射轴线会聚到与该像素组相关联的同一目标点；

-两个不同的像素组与两个不同的目标点相关联，至少一个目标点与远离光学轴线的像素组相关联。

光学轴线可以穿过组合器的中心。光学轴线可以在组合器的中心和可能被眼睛的瞳孔占据的位置之间延伸。

根据一个实施例：

-屏幕包括第一像素组，其发射轴线会聚到第一目标点，第一像素组被配置为当眼睛的瞳孔占据第一位置时形成图像的第一部分；

-屏幕包括第二像素组，其发射轴线会聚到不同于第一目标点的第二目标点，第二像素组被配置成当眼睛的瞳孔占据与第一位置有角度地偏移的第二位置时形成图像的第二部分。

根据一个实施例：

-屏幕包括第一像素组，其发射轴线会聚到第一目标点，第一像素组被配置为当眼睛的瞳孔占据第一位置时形成图像；

-屏幕包括第二像素组，其发射轴线会聚到不同于第一目标点的第二目标点，第二像素组被配置成当眼睛的瞳孔占据不同于第一位置的第二位置时形成该图像。

根据一个实施例：

-屏幕的像素被分割成宏像素，给定宏像素的像素被配置为显示相同的内容；

-给定宏像素的像素的发射轴线瞄准各个目标点；

-各个宏像素的像素的相应的发射轴线会聚到同一目标点。

组合器有利地是全息组合器。

根据一种可能性：

-屏幕发射在至少一个发射光谱带中的光；

-全息组合器在该发射光谱带或每个发射光谱带之外是透明的；

-全息组合器在该发射光谱带或每个发射光谱带中形成会聚透镜。

全息组合器可以在该发射光谱带或每个发射光谱带中形成反射器。

准直光波是指一种光波，其发散或会聚足够弱，使得该波被认为是由彼此平行传播的光束形成的。弱发散或弱会聚是指发散(或会聚)角小于2°或小于1°。

参考下面列出的附图，通过阅读说明书其余部分中所呈现的实施例的示例的描述，将更好地理解本发明。

附图说明

图1示出了现有技术的配置。

图2A是根据本发明的设备的光学示意图。

图2B是针对图2A所示的设备所绘制的光线轨迹。

图2C示出了放置在一副眼镜透镜上的一个示例。

图3A示意性地示出了定向屏幕的像素的角发射特性。

图3B示出了定向屏幕的结构。

图4示出了正在记录的定向屏幕的全息图。

图5A示出了定向屏幕的一层，其中形成有层光导。

图5B示出了定向屏幕的一层，其中已经形成了耦合到电极的层电激活衍射光栅。

图5C示出了定向屏幕的一层，其包括先前记录的全息图。

图5D示出了定向屏幕的变体，其允许使用可能在不同光谱带发射的各种光源。

图6A至图6F示意性地示出了形成定向屏幕的各个层。

图7A是会聚透镜的光学示意图。

图7B示出了记录全息透镜的一部分的阶段。

图7C示出了全息透镜的使用。

图8A至图8G示出了使得可以复制设备的视窗的变体。

图8A和图8C示出了其中眼睛面向两个相应角度方向放置的配置。

图8B和图8D示出了在图8A和图8C所示的相应配置中由眼睛感知的图像。

图8E和图8F示出了不同的配置，其具有不同数量的视窗复制。

图8G示意性地示出了如参照图2C描述的处于反射配置的参照图8A至图8F描述的实施例。

图9A至图9D示出了可以增加视窗尺寸的另一个变体。

图9A和图9C示出了其中眼睛面向两个相应角度方向放置的配置。

图9B和图9D示出了在图9A和图9C所示的相应配置中由眼睛感知的图像。

具体实施方式

图2A示意性地示出了根据本发明的设备1的主要元件。该设备包括屏幕10，屏幕10包括像素10_i。在图2A中，点B1表示像素。屏幕10是定向屏幕。术语定向屏幕(directionalscreen)指的一种屏幕，其每个像素被配置为沿发射轴线发射发散光波，与正交于屏幕的方向形成发射角，该光波传播以与发射轴线形成发散角，屏幕使得：

-发散角是预先确定的，并且优选地小于45°或小于30°；

-和/或两个不同像素的发射轴线不同；

-和/或两个不同像素的发散角不同；

-和/或像素的至少一个发射轴线相对于正交于屏幕的方向倾斜。

因此，每个像素10_i在发射光谱带中发射沿着发射轴线Δ_i传播的发散光波。发射轴线Δ_i相对于垂直于屏幕的方向倾斜发射角γ_i。每个像素的相应发射光谱带可以彼此相同或不同。

该设备包括组合器30。术语组合器(combiner)指的是组合在透明光谱带中提供透明度的光学功能和在(优选地窄的)关注光谱带中用于操控并且可能用于整形屏幕偏离视轴所产生的光束的光学功能两者的组件。视轴对应于以出射瞳孔为中心并垂直于出射瞳孔的轴线。组合器可以在一个或每个关注光谱带中执行反射镜类型的光学功能和会聚透镜类型的成形功能。在这些光谱带之外，该组件是透明的，光束穿过它时没有显著干扰。

图2A示意性地示出了“展开”光学示意图，其中示出了组合器30的透射操作。对于发散的入射光波，组合器30采用形成准直光波的透镜的形式，或者可以被认为是这样的形式，即弱发散的形式。弱发散是指发散角小于1°的波。这使得可以在眼睛中形成“远距离”的图像，即超过2m的距离。

组合器被配置为从由像素发射的每个光波形成向用户眼睛的瞳孔传播的准直光波。优选地，组合器是全息组合器，透镜功能和反射镜功能被编码在组合器的长度上形成的全息图中。

全息组合器的使用对于本领域技术人员来说是已知的。全息组合器具有紧凑的优点，因为它是由沉积在载体(例如一副眼镜的透镜)上的薄全息层形成的。全息组合器具有高度的波长选择性。全息图对大多数可见光谱都是透明的，但它敏感的特定波长除外。组合器的会聚功能以及同样确保角度偏差的功能被编码到全息图中，如下所述。

全息组合器30定义物焦平面和图像焦平面。屏幕10的像素放置在组合器的物焦平面中。

根据图2A所示的实施例，屏幕的所有像素的发射轴线会聚到同一虚拟点A1。图2B示出了两个不同像素的发射轴线。虚拟点A1使得其图像由于组合器30而位于点C3处。点C3对应于用户放置其眼睛O的瞳孔P的位置。因此，由每个像素发送的光束被组合器准直，并以定中心于点C3的方式引导向点C3。应当理解，与每个像素相关联的发射角被调整为会聚到虚拟点A1。

因此，屏幕10的每个像素10_i被配置为绕发射轴线Δ_i发射光波，其发射角γ_i使得发射轴线Δ_i穿过虚拟点A1。因此，各个像素10_i的相应的发射角彼此不同并且会聚到虚拟点A1。每个发射角可以相对于穿过组合器中心C2并穿过先前定义的点C3的光学轴线Δ₀来定义。在所示的示例中，光学轴线Δ₀穿过屏幕的中心，但这不是必需的。

在图2A中，符号wy₁、wy₂、wy₃是指在与组合器延伸的平面平行的并分别经过点B1、C2和C3的平面中，来自由像素10_i发射的光波的相对于光束传播轴线的光波的光束尺寸。屏幕10位于组合器的物焦平面中，同时垂直于光学轴线Δ₀。来自每个像素10_i的准直光波相对于光学轴线Δ₀以倾斜角α_i到达点C3。像素10_i与光学轴线Δ₀之间的距离表示为dy。

由组合器产生的准直光波被眼睛O聚焦，从而形成屏幕的图像的像素，该图像形成在眼睛的视网膜R上。视网膜上形成的图像的像素对应于点B2。B2的位置由倾斜角α_i限定，倾斜角α_i对于每个像素10_i是不同的。应当理解，该设备允许由屏幕10形成的图像形成在视网膜R上。

组合器使得可以生成在眼睛处准直的波，使得当用户观看远处的物体(眼睛/物体距离相对于眼睛的尺寸较大)时，例如山峰，她或他也可以感知屏幕的图像，屏幕的图像生成增强现实类型的信息，例如山峰的名称及其海拔。因此，准直的概念是相对的。尽管理论上与放置在无限远处的图像相关联，但该概念也可以应用于放置在大距离(通常超过眼睛尺寸的100倍，即距观察者约2米)处的图像。

设Z_v为虚拟点A1和位于屏幕上的点F之间的距离。设f为组合器的焦距(C2与屏幕之间的距离)。

每个像素10_i的发射角γ_i和倾斜角α_i为：

和

视窗的尺寸取决于每个像素的发散角β_i，为：

EB＝2×f×tan(β_i) (3)

优选地，定向屏幕的每个像素被配置为具有相同的发散角。

图2C示出了所谓的折叠配置，其中组合器充当反射器。组合器集成在一副眼镜的透镜V中。屏幕10牢固地固定至眼镜的框架M。屏幕的所有像素的发射轴线会聚到同一点A1。已经示出了由组合器30产生并朝眼睛的瞳孔传播的准直光束。

图3A和图3B示出了定向屏幕10的操作。定向屏幕由多个像素10_i形成，这些像素优选地以行和列布置。每个像素被配置为相对于正交于屏幕所在平面的方向D以发射角发射光波。在图3A中，示出了以下内容：

-像素10₁，发射发散光波，该发散光波沿传播轴线传播，与方向D成发射角γ₁，并形成圆锥体，其顶点处的半角表示为β₁并称为发散角；

-像素10₂，发射发散光波，该发散光波沿传播轴线传播，与方向D成发射角γ₂，并有发散角β₂。

图3B示意性地示出了定向屏幕的结构。定向屏幕包括光导11。每个光导11连接至一个光源11_in。与US9632317中描述的配置不同，光源11_in可以是激光源，但也可以是非相干源，例如发光二极管。在所示的示例中，每个光导沿着行延伸，并且更精确地在该行的各个像素的长度上延伸。光导可以例如由沉积在SiO₂层中的SIN(氮化硅)形成。

屏幕包括：

-第一层，其中形成光导11。光导被配置为接收由光源11_in发射的光；

-第二层，其中形成衍射光栅12，使得每个衍射光栅12耦合到一个光导11。衍射光栅12被电调制。每个衍射光栅12对应于能够被电调制的折射率的周期性变化。耦合到给定光导11的衍射光栅12在光导的长度上彼此间隔开，并且被认为是分立的。每个衍射光栅12可以由在氧化硅(SiO₂)中限定周期性图案的内含物形成，每个内含物由折射率能够电调制的材料(例如液晶)形成。当光的波长为532nm时，衍射光栅12的图案的周期可以包括在200nm至500nm之间。衍射光栅可以由10个周期性图案组成，并因此延伸长度为2μm或5μm；

-第三层，其中形成透明电极13，该电极被配置为电调制形成衍射光栅的材料的折射率。透明电极可以由透明导电材料形成，例如ITO(氧化铟锡)。因此，每个电极可以在电调制的作用下激活一个衍射光栅。在所示的示例中，透明电极平行于列延伸；

-第四层，称为全息层，对应于全息膜14。全息膜意味着能够记录全息图的光敏介质。假设全息膜足够薄，可以被比作发射表面。全息膜可以是光致抗蚀剂类型的光聚合物或诸如卤化银的光敏化合物的悬浮液。

这些层形成在透明载体上。例如，它可以是由玻璃或聚碳酸酯制成的载体。

在电极13的偏置作用下，每个分立的衍射光栅12被激活，从某种意义上说，它允许通过与衍射光栅12耦合的光导11传播的一些光被提取。被提取的光朝向全息膜14传播，并且更精确地朝向全息膜14的基本区域14_i传播。在照射的作用下，全息膜的基本区域发射具有预定角度特性的光波。角度特性是指发射角γ_i和发散角β_i。

因此，屏幕的每个像素10_i对应于面对全息膜14的基本区域14_i的，耦合到光导11的分立的衍射光栅12和电极13的叠加。每个电极13和每个衍射光栅12之间的关联形成用于提取通过光导11传播的一些光的结构。

在所示的示例中，光导11是共面的。电极13也是如此。因此，电极13叠加在光导11上。每个电极“交叉(cross)”多个光导，从而定义出多个交点，每个交点对应于屏幕的一个像素。术语“交叉”应理解为表示电极和光导的叠加。每个像素的位置是通过定位光导和电极来定义的。角发射特性由形成基本区域14_i的全息图限定，该基本区域通过提取通过光导传播的光来照射。

图3B示出了像素10₂和像素10₄。全息图面向这些像素的每个基本区域被配置为发射具有预定义角度特性的相应光波，这些特性被编码到全息图中。图3B示出了针对像素10₂和10₄定义的发射角γ₂和γ₄。对于每个像素，可以独立于其他像素来定义角发射特性。

可以放置分路器11'，例如Y型结，以便将给定光源11_in发射的光分配到各个光导11。为了调制通过光导传播的光的强度，每个光导11可以耦合到调制器。图3B示出了四个调制器M1、M2、M3和M4。每个调制器包括提取器16，提取器被配置为可电激活，以便提取通过光导传播的全部或一些光。每个提取器可以类似于如上所述的衍射光栅12。当提取器被激活时，通过光导11传播的光被提取，优选地到达吸收器17。吸收器的存在使得可以耗散所提取的光，以避免杂散光通过屏幕10传播。使用调制器允许调整同时被激活的屏幕像素的强度。

每个像素10_i的角发射特性在记录全息膜14的先前阶段中被定义。众所周知，全息图是通过由同一光源发射的两个光波(物光波和参考光波)之间的干涉形成的。所产生的干涉条纹被物理或化学地存储在全息膜14中。图4示出了允许记录全息膜14的基本区域14_i的布置。

光源通过分路器耦合到两根光纤上，以得到形成物光束42的光纤和形成参考光束41的光纤。光源的波长接近于屏幕10在使用时连接到的光11_in的波长。该源通常是长相干长度(长于一米)的激光。

形成参考光束41的光纤再现与通过激活衍射光栅12从光导11提取光所获得的照射条件类似的照射条件。照射条件意味着光束的入射角、其尺寸及其发散度。参考光束41被固定并由参考光束形成光学***43形成。

物光束由耦合到会聚聚焦光学单元45的物光束形成光学***44产生。这使得物光束的入射角γ_i和发散角β_i可以被调整。通过将基本区域14_i同时暴露于物光束和参考光束，将全息图记录在所述基本区域中。通过移动全息膜14并可选地修改物光束的特性，特别是入射角γi和发散角β_i，在每个基本区域中产生各种全息图。因此，每个基本区域14_i被分配有与全息图记录期间物光束的入射角和发散角相对应的入射角γ_i和发散角β_i。

图5A至图5D示意性地示出了上述各个层。图5A示出了形成在玻璃基板15上的限定光导11的结构化层。图5B示出了由上述衍射光栅12、16形成的提取层。图5C示出了包括全息基本区域14_i和吸收器17的全息层。

全息屏幕的一个优点是其相对于US9632317中描述的配置减少了光源的数量。定向屏幕可以使用单个光源形成。然后它是单色的。定向屏幕可以使用在不同光谱带中发射的多个光源来形成。这种配置如图5D所示。多个光导可以形成在同一层上，以形成独立的光导阵列。每个光导阵列旨在光学耦合到在确定的光谱带中发射的光源。图5D示出了旨在光学耦合到两个光源11_in1和11_in2的两个光导阵列。可以在同一基板15上生产各种光导。光导的布置防止每个交叉点处的光导之间的串扰。

图6A至图6F示出了定向屏幕10的制造步骤。在图6A中，旨在充当反射器的反射材料(例如诸如铝Al的金属)条带被沉积在基板15上，从而形成行。铝条带宽1μm，彼此间隔5μm。

图6B示出了寻址电极13层，其采用40nm厚度的ITO(氧化铟锡)的结构化层的形式。ITO层可以被结构化，以便形成以垂直于行的列延伸的电极。

图6C示出了SiO₂层的沉积，其中形成了SiN光导。该光导具有约400nm的宽度和100nm至400nm的厚度。选择SiN的理由是其在可见光域的透明度。

图6D示出了旨在形成衍射光栅12的结构化层的沉积。衍射光栅优选地由结构简单的材料形成，例如溶胶-凝胶。

衍射光栅封装在液晶层LC中，其折射率能够根据电极施加的电压而在两个值之间切换。根据折射率的值，衍射光栅12允许提取通过光导传播的光。沉积在透明膜13s(由玻璃或透明塑料制成)上的透明对电极13'，例如由ITO制成的对电极，被放置在液晶层上。参见图6E。

图6F示出了由透明载体14s承载的与膜13s相对的全息层14的沉积，从而允许封装液晶。全息层14可以由15μm厚的光聚合物形成，而载体14s可以由700μm厚的玻璃形成。全息层14将预先经历记录，如参考图4所描述的。

图6F示出了形成定向屏幕10的所有层。总厚度约为1.5mm。每个像素的面积可以是5μm×5μm。因此可以形成面积为10mm×5mm的1920×1080分辨率的屏幕。

图7A详细描述了全息组合器30的操作，其以与会聚透镜等效的方式运行。在图7A中，组合器将点A'与点A结对。点F和M属于物焦平面。点F和点M发射的光波被组合器偏转至无穷远。点F对应于透镜的焦点。点M在物焦平面上偏离点F。在离开透镜时，分别穿过点F和M的光束被准直并相对于彼此有角度地偏转。

图7B示出了在全息组合器上记录全息图的阶段。形成组合器的全息材料的基本区域暴露于从点F发射的发散参考光束F1并暴露于准直物光束F2，这两个光束均由同一光源发射。所使用的光源，例如激光源，优选是相干的，并且在记录光谱带中发射。由光束F1和F2之间的干涉产生的全息图被存储在全息材料中。图7C示出了全息组合器的使用：在暴露于从对应于透镜的焦点的点F发射的发散光束F3的作用下，先前存储的全息图反射准直光束F4。如果光束F3从远离焦点F的点A发射，则透镜将会聚光束反射到点A'。

在图7B和图7C描述的示例中，全息组合器形成反射光束F1和F2的波长的光的全息透镜。全息组合器仅在窄光谱带中工作，该窄光谱带对应于记录光谱带。在此光谱带之外，全息组合器传输光。全息组合器可以放置在一副眼镜的透镜上或虚拟现实耳机的护目镜上。

尺寸的一个示例如下：

-视距(eye relief，ER)，对应于组合器与眼睛之间的距离：20mm；

-距离Zv：20mm；

-组合器30的焦距：50mm；

-屏幕尺寸：13mm×13mm；

-观察视场：30°，这是通过将(2)应用于距光学轴线最远的像素而获得的值。

屏幕的每行或每列可包括1920个边长为7μm的像素，这是一个真实的尺寸，同时确保在视网膜上形成的图像具有可接受的空间分辨率。

如上所述，结合表达式(3)，视窗的尺寸取决于分配给每个像素的发散角β_i。考虑到发散角为3°，视窗是边长为5mm的正方形，这是可以接受的。

图8A至图8E示出了图2A中示意性示出的配置的变体。在此变体中：

-屏幕10的像素10_i被分割成像素组；

-给定像素组的像素的发射轴线Δ_i会聚到与该像素组相关联的同一目标点：在图8A中已经示出了两个不同的目标点A1、A2；

-两个不同的像素组与两个不同的目标点相关联，至少一个目标点与远离光学轴线的像素组相关联。

在该实施例中，允许眼睛相对于设备的移动。旋转时，眼睛扫描的角度范围很宽，同时保持良好的视觉质量。

据认为，用户的眼睛将在围绕视轴10°的角视场中形成清晰的图像，视轴垂直于瞳孔并且以瞳孔为中心。

此变体的目的是复制视窗。在图8A中，眼睛的瞳孔位于点C3₁处。图8B示出了与该位置对应的视野。已经示出了两个像素B1和B2的两个不同的相应目标点A1和A2。像素B1的发射角γ₁会聚到参照图2A描述的虚拟点A1。像素B2的发射角γ₂会聚到与点A1不同的虚拟点A2。图8A示出了光束从所述两个像素B1和B2传播的示意图。

屏幕上像素的空间位置设置角度α₁和α₂，根据(2)：

和

其中，dy₁和dy₂是像素与组合器定义的光学轴线之间的距离。

这两个像素B1和B2在屏幕上是相邻的，并且具有几十微米的间隔距离α₁～α₂。这两个像素的发射轴线不同：它们各自的发射角γ₁和γ₂被定义为使得像素B1瞄准点A1并且像素B2瞄准点A2。

因此：

和

hy₁和hy₂是在组合器平面中考虑的像素与其目标点之间的距离。Zv₁和Zv₂是焦点与点A1和A2之间沿光学轴线的距离。

对于像素B1，目标点A1位于组合器的光学轴线上。因此hy₁＝dy₁。

对于像素B2，目标点A2不在组合器的光学轴线上：hy₂～0。

根据该实施例，给定像素组的每个像素B_i瞄准点A_i，点A_i的图像由组合器生成为与用户瞳孔的潜在位置相对应的点C3_i。索引i是在1和I之间变化的整数，其中，I是视窗的重复数量。

像素B1和B2具有相同的内容并形成“宏像素(macro-pixel)”。宏像素是具有相同内容但瞄准不同目标点的像素组，使得宏像素的像素有助于在视网膜的各个相应位置形成相同的图像。宏像素的每个像素旨在在视网膜上形成的每个图像中形成相同的图像像素。

图8B示出了投射到眼睛中的图像的视野的示例。在此示例中，图像包含欧洲首都名称列表。由像素B1产生的图像以角坐标α₁位于点B1'处。该图像显示了一个中心凹渲染，反映了这样一个事实：超过大约5°的角度，投射到视网膜上的图像会被大脑以低分辨率感知。像素B2发射的图像不进入眼睛，或者仅非常部分地进入眼睛。因此，图8B中未示出点B2'。

图8C示出了与参考图8A和图8B所讨论的相同的设备。眼睛的位置对应于点C3₂。这可能是由于光学***正在被瞳孔间距离不同的另一用户使用。这也可能是由于设备在用户头上的移动造成的。

图8D示出了当瞳孔的位置对应于点C3₂时投射到眼睛中的图像的视野的示例。像素B1传送的信号不再进入眼睛。由像素B2传送的信号进入眼睛并产生位于视野的角度α₂处的图像像素B2'。由于α₁～α₂以及像素重复的这种原理在整个屏幕上再现，因此观察者感知到的图像不会改变，或者即使改变也是难以察觉的改变。

根据该变体，屏幕被部分冗余的像素覆盖，形成上述像素组。给定像素组的像素瞄准同一点Ai，这允许定义瞳孔位置C3_i。各个像素组的像素瞄准各个点Ai，这允许定义各个瞳孔位置C3_i。

像素被配置为使得在点C3₂处形成的图像是在以点C3₁为中心的视窗中形成的图像的复制品。因此，眼睛可以从点C3₁移动到点C3₂同时感知相同的图像。换言之，瞄准各个相应目标点的各个像素组被配置为形成相同的图像。根据该实施例，当用户的瞳孔占据第一位置C3₁时和当他的瞳孔占据第二位置C3₂时，用户感知到相同的图像。

冗余度越高，图像的分辨率越低，但由于视窗有很多重复，因此更容易调整光学***。图8E和图8F示出了眼睛的入射瞳孔的平面中的视窗(下面缩写为EB)的分布。所选择的EB复制数量将取决于所选择的光束的发散度β，该发散度由与光学***中的节能相关的标准来设定。

在图8E中，高β值使得可以获得略大于眼睛瞳孔尺寸(以深灰色显示)的EB(浅灰色阴影虚线)。在本例中，选择将EB复制3×3次。与没有EB复制的屏幕相比，图像分辨率降低了9倍。

在图8F中，EB的尺寸略小于眼睛瞳孔的尺寸。已经选择了有利于水平方向的复制(此选择与人类形态一致)。已经采用了5×3复制，即相对于用没有EB复制的屏幕形成的图像，分辨率降低了15倍。

图8G以类似于图2C的方式示出了折叠配置。图8G示出了光束会聚到眼睛的两个不同点。

图9A至图9D示出了另一种变体。图9A和图9C示出了光束从两个像素B1和B2传播的示意图。采用与图8A和图8C中使用的相同的符号。已经示出了两个像素B1和B2的两个不同的相应目标点A1和A2。由像素B1产生的图像以角坐标α₁位于点B1'处。由像素B2产生的图像以角坐标α₂位于点B2'处。与前面的情况不同，这些像素的位置相距足够远，使得图像像素投射到眼睛中的角度α₁和α₂不同。

在视网膜上形成的图像中，像素B1在10°的角视场的极限(表观角α等于10°)处形成图像像素B1'。为了查看屏幕显示的超出点B1'的图像像素，例如位于点B2'的图像像素，用户将眼睛转动角度θ：参见图9C。因此，瞳孔的中心不再是点C3₁，而是移动到点C3₂。像素B2的发射角被确定为不瞄准点A1，而是瞄准点A2，点A2被定义为允许图像的视角和用户的瞳孔轴线之间的连续性。这样的实施例使得可以在屏幕上形成“宽角度”图像，用户可以通过转动他的眼睛来跟随该图像。屏幕像素所瞄准的点被定义为允许用户瞳孔逐渐旋转。

角度α₂瞄准视野中超出中心凹区域的角度位置：当瞳孔位于点C3₁时，眼睛无法以良好的分辨率感知它。角度α₁瞄准视野中位于中心凹区域***的角度位置：眼睛以令人满意的分辨率感知它。

在图9A中，眼睛的瞳孔置于位于光学轴线上的点C3₁处。在图9C中，眼睛的瞳孔置于点C3₂处，该点从光学轴线有角度地偏移角度θ。

如果由像素B2传送的光束穿过点C3₁，则所产生的图像像素B2'将以良好的能量效率被渲染。然而，这将是徒劳的，因为眼睛无法以良好的分辨率感知该像素。

为了提高该视角α₂处的分辨率，眼睛会自然地将视线轴朝向这个角度方向。眼睛在其轨道上旋转，因此瞳孔进行空间运动。通过该移动，眼睛的瞳孔中心从点C3₁移动到点C3₂。

在此变体中：

-屏幕包括与像素B1相似的第一像素组，其发射轴线会聚于第一虚拟点A1。第一像素组使得可以在以点C3₁为中心的视窗中形成图像的第一部分。见图9B。

-屏幕包括与像素B2类似的第二像素组，其发射轴线会聚于第二虚拟点A2。当瞳孔以点C3₂为中心时，第二像素组使得可以形成图像的第二部分：参见图9D。

根据本实施例，当用户的瞳孔占据第一位置(点C3₁)时，用户感知到图像的第一部分，并且当他的瞳孔占据第二位置(C3₂)时，用户感知到图像的第二部分。

图像的第一部分和图像的第二部分是互补的：它们对应于设备显示的宽视场图像的两个不同部分。与参照图8A至图8G描述的实施例相反，这不是复制视窗的问题，而是在空间上扩展视窗的问题。

该实施例允许在旋转眼睛的同时观察图像。利用这样一个事实，即视网膜中央区域(称为中央凹)的视力最佳。为了覆盖整个图像，眼睛旋转，以便在两个不同的角度位置，中央凹感知屏幕投射的图像的两个不同部分。

这种变体使得可以形成围绕点C3₁的图像的第一部分以及围绕点C3₂的角度偏移的图像的第二部分。眼睛能够通过旋转来感知图像的每个部分。该变体可以推广到n个不同的目标点，n大于或等于2。

本发明可以集成到一副眼镜中、或集成到护目镜中、或集成到虚拟现实耳机中。

Claims (14)

1.一种用于将图像投射到眼睛(O)上的设备(1)，所述设备包括：

-光发射器，其被配置为沿着各个相应的发射轴线发射光波；

-光学组合器(30)，其光学耦合到所述光发射器，并且被配置为从由所述光发射器发射的每个光波形成朝向眼睛的瞳孔(P)传播的准直光波；

所述设备的特征在于：

-组合器具有物焦平面；

-所述光发射器包括定向屏幕(10)，所述定向屏幕(10)包括各个像素(10_i)，每个像素被配置为沿着预定义的发射轴线发射发散光波，所述光波传播以使得与所述发射轴线形成预定义的发散角(β_i)；

-所述定向屏幕放置在所述组合器的物焦平面；

-所述光学组合器被配置为接收由像素发射的每个光波并形成朝向可能被眼睛的瞳孔占据的位置传播的准直光波；

-所述定向屏幕的各个像素的相应的发射轴线会聚到所述组合器下游的同一目标点；

-由所述组合器形成的目标点的图像对应于可能被眼睛的瞳孔占据的位置。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，屏幕包括堆叠，所述堆叠包括：

-光导(11)，每个光导耦合到分布在所述光导的长度上的多个衍射光栅(12)，每个衍射光栅是能够电调制的，每个衍射光栅(12)被配置为电调制以提取通过所述光导传播的光；

-电极(13)，每个电极与分别耦合到各个光导的多个衍射光栅(12)相关联，每个电极被配置为调制与其相关联的每个衍射光栅；

所述屏幕的每个像素对应于电极和耦合到光导的衍射光栅之间的关联；

使得，在从所述光导提取的光的照射的作用下，每个像素被配置为发射围绕所述像素的发射轴线传播的发散光波，从而形成由围绕所述像素的发射轴线的发散角来定义的发射锥。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述屏幕包括全息膜(14)，所述全息膜被细分为各个基本区域，每个基本区域与一个像素的衍射光栅(12)相关联，并且被配置为在与其相关联的衍射光栅所提取的光的作用下，沿着所述像素的发射轴线和发散角来发射发散光波。

4.根据权利要求2所述的设备，其中：

-多个光导连接到同一光源；

-光调制器位于所述光源和每个光导之间，以调制由所述光源发射并馈送到所述光导的光的强度。

5.根据权利要求2所述的设备，包括多个光源，每个光源光学连接到多个光导。

6.根据权利要求2所述的设备，其中，各个光源被配置为发射各个相应波长的光。

7.根据权利要求2所述的设备，其中，所述像素布置为：

-行，每一行由一个光导限定，所述光导在所述行中的各个像素的长度上延伸；

-列，每一列由一个电极限定，所述电极在所述列的长度上的各个像素的长度上延伸。

8.根据权利要求1所述的设备，其中：

-所述组合器围绕光学轴线延伸(Δ₀)；

-所述屏幕的像素被分割成像素组；

-给定像素组的像素的发射轴线会聚到与该像素组相关联的同一目标点；

-两个不同的像素组与两个不同的目标点相关联，至少一个目标点与远离光学轴线的像素组相关联。

9.根据权利要求8所述的设备，其中：

-所述屏幕包括第一像素组，所述第一像素组的发射轴线会聚到第一目标点，所述第一像素组被配置为当眼睛的瞳孔占据第一位置时形成图像的第一部分；

-所述屏幕包括第二像素组，所述第二像素组的发射轴线会聚到不同于所述第一目标点的第二目标点，所述第二像素组被配置为当眼睛的瞳孔占据与所述第一位置有角度地偏移的第二位置时形成所述图像的第二部分。

10.根据权利要求8所述的设备，其中：

-所述屏幕包括第一像素组，所述第一像素组的发射轴线会聚到第一目标点，所述第一像素组被配置为当眼睛的瞳孔占据第一位置时形成图像；

-所述屏幕包括第二像素组，所述第二像素组的发射轴线会聚到不同于所述第一目标点的第二目标点，所述第二像素组被配置为当眼睛的瞳孔占据不同于所述第一位置的第二位置时形成所述图像。

11.根据权利要求10所述的设备，其中：

-所述屏幕的像素被分割成宏像素，给定宏像素的像素被配置为显示相同的内容；

-给定宏像素的像素的发射轴线瞄准各个目标点。

12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述组合器是全息组合器。

13.根据权利要求12所述的设备，其中：

-所述屏幕发射在至少一个发射光谱带中的光；

-所述全息组合器在所述发射光谱带或每个发射光谱带之外是透明的；

-所述全息组合器在所述发射光谱带或每个发射光谱带中形成会聚透镜。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述全息组合器在所述发射光谱带或每个发射光谱带中形成反射器。