直接視網膜顯示器的製作方法

2023-05-27 14:48:46 1

專利名稱：直接視網膜顯示器的製作方法
技術領域：
本發明涉及直接視網膜顯示器(DRD)。特別地，它涉及用於改 善由DRD提供的視場的發展。
背景技術：
DRD通過經由瞳孔將用圖像信息調製的雷射束或其它光束直接 掃描到用戶的眼睛的視網膜上提供觀察用圖像。具體而言，通過利用 幾種顏色的雷射束並調製這些射束的強度，可以在用戶的眼睛上產生 彩色圖像。例如，通過橫過視網膜以光柵模式掃描光點依次產生圖像。
DRD提供優於現有的基於屏幕的顯示器的優點。解析度可更高並 且圖像可被疊加在現實生活景物上。這使得DRD成為對於廣泛的應 用(特別是在虛擬或擴張的現實顯示器中)的希望的選項。例如，頭 戴式DRD可在駕駛員或飛行員觀看他們正在航行的景物的同時向他 們提供視覺形式的信息。
為了與人眼的"現實生活"成像能力匹配，顯示裝置理想情況下對 於單個眼球應具有水平140°和垂直90。的視場。眼睛可辨別的最大分 辨率是1弧分的角解析度，這轉換成8400水平像素乘以5400垂直像 素。由現有的DRD技術提供的解析度依賴於雷射波長、掃描器速度 和調製帶寬以及掃描光學。衍射受限的雷射可在視網膜上產生約l弧 分的角解析度。但是，視場由包含由現有技術提供的掃描速度和調製 帶寬的許多因素支配。為了改善視場，必須增加掃描角度(在視網膜 上掃描雷射束的水平和垂直角度)。在掃描器上機械地增加掃描角度 還要求增加掃描速度和/或調製帶寬以保持相同的解析度。因此，視場 受確定掃描速度和調製帶寬的當前技術的能力限制。
美國專利申請公開No. 2004/0164926提出 一種經由橢球面反射器
掃描到用戶的眼睛中以提供寬視場圖像顯示器的頭戴式顯示系統。
本發明的目的在於，提供改進的直接視網膜顯示器，或至少向乂> 眾提供有用的選擇。

發明內容
在第一方面中，本發明概括地是一種用於以寬視場在眼睛的視網
膜上顯示圖像的直接視網膜顯示器，該直接視網膜顯示器包括被配 置為在兩個維度中在各維度中的掃描角度上產生掃描光束的掃描源， 該掃描光束已被圖像調製；掃描光束的路徑中的發散反射器，該發散 反射器被配置為用放大的掃描角向外反射入射到發散反射器上的掃描 光束；和反射的掃描光束的路徑中的會聚反射器，該會聚反射器被配 置為基本上向眼睛的瞳孔上的會聚點反射具有放大的掃描角的掃描光 束用於以寬視場在視網膜上重建和顯示圖像。
優選地，發散反射器可在掃描光束的路徑中至少部分包含球形反 射面，使得入射到球形反射面上的掃描光束以放大掃描角度的變化的 角度被反射，以產生寬視場。在一種形式中，發散反射器可以是半球 形反射器。在另一種形式中，發散反射器可以是球面反射器。
優選地，會聚反射器可在從發散反射器反射的掃描光束的路徑中 至少部分包含基本上橢圓的反射面，使得入射到基本上橢圓的反射面 上的掃描光束基本上向著眼睛的瞳孔上的會聚點被反射。在一種形式 中，會聚反射器可以是橢圓形反射器。在另一形式中，會聚反射器可 以是準橢圓形反射器，該準橢圓形反射器被成形為減少由發散反射器 的形狀導致的掃描光束在眼睛的瞳孔上的任何不會聚。
優選地，掃描源可包含用於產生光束的光束髮生器、用於將圖像 像素分給掃描中的各位置上的光束的調製器、和用於在兩個維度中在 各維度中的掃描角度上使光束改變方向的掃描器。在一種形式中，光 束髮生器可包含雷射器的配置。作為替代方案，掃描器的光束髮生器 可包含發光二極體的配置。
在一種形式中，掃描源可被配置為在各維度中的掃描角度上非線
性掃描光束，以對發散反射器上的掃描角度的任何非線性放大進行補 償，由此保證正確地在視網膜上顯示圖像。
在另一種形式中，掃描源可被配置為使圖像預先非線性變形，以 對發散反射器上的掃描角度的任何非線性放大進行補償，由此保證正 確地在視網膜上顯示圖像。
優選地，掃描源可被配置為在兩個維度中掃描光束以產生光束的 錐形束。更優選地，掃描源可被配置為在眼睛的視網膜上掃描二維圖 像。另外，或者作為替代方案，掃描源可被配置為為了在眼睛的視網 膜上顯示三維圖像根據圖像的各像素的相對深度調整光束的焦點。
在一種形式中，會聚反射器可部分反射並且部分透明以使得圖像 能夠被疊加到用於擴張的現實的現實生活景物上。
優選地，該直接視網膜顯示器還可包括跟蹤控制機構，該機構被 配置為跟蹤眼睛的移動和調整發散和會聚反射器的位置，使得會聚點 跟隨瞳孔移動。更優選地，該跟蹤控制機構還可包括視網膜成像部件， 以幫助跟蹤眼睛的移動。
優選地，會聚點可足夠大，以基本上覆蓋眼睛的瞳孔以減少眼睛
移動的影響o
優選地，相對於眼睛沿水平方向在眼睛上產生的視場可以為至少
80度、更優選至少100度、甚至更優選至少120度。
優選地，相對於眼睛沿垂直方向在眼睛上產生的視場可以為至少
60度、更優選至少80度、甚至更優選至少90度。
優選地，顯示的圖像的解析度可以為水平方向上的至少800像素
乘以垂直方向上的至少600像素、更優選水平方向上的至少1280像素
乘以垂直方向上的至少1024像素、甚至更優選水平方向上的至少8000
像素乘以垂直方向上的至少5000像素。
優選地，任一維度中的掃描角度可以為至少2度、更優選至少5度。
優選地，任一維度中的掃描角度可被放大至少20倍、更優選被放 大至少25倍。
在一種形式中，顯示器可用於在兩個眼睛的視網膜上顯示圖像， 並包含兩個會聚反射器，每個會聚反射器用於一個眼睛，並且掃描源 被配置為向著位於會聚反射器之間的發散反射器的對邊在兩個維度中 在各維度中的掃描角度上產生用圖像調製的二個掃描光束，該發散反 射器被配置為向著各個會聚反射器以放大的掃描角度反射各掃描光 束，各會聚反射器被配置為基本上向著各眼睛的瞳孔上的會聚點反射 各掃描光束，用於在各眼睛的視網膜上重建和顯示圖像。優選地，會 聚反射器可以是準橢圓形反射器，該準橢圓形反射器被成形為將掃描 光束會聚到各眼睛的瞳孔上的會聚點上，並且發散反射器是球面反射 器。
在另一種形式中，直接視網膜顯示器可用於在兩個眼睛的視網膜 上顯示圖像，並包含用於各個眼睛的掃描源、發散反射器和會聚反射 器。
優選地，直接視網膜顯示器可被配置為安裝到用戶的頭部上。 在第二方面中，本發明概括地是一種用於以寬視場在眼睛的視網
膜上顯示圖像的直接視網膜顯示器，該直接視網膜顯示器包括被配 置為在兩個維度中在各維度中的掃描角度上產生掃描光束的掃描源， 該掃描光束被圖像調製；掃描光束的路徑中的具有球形反射面的發散 反射器，該發散反射器被配置為用放大的掃描角向外反射入射到球形 反射面上的掃描光束；和反射的掃描光束的路徑中的具有基本上橢圓 的反射面的會聚反射器，該會聚反射器被配置為基本上向眼睛的瞳孔 上的會聚點反射具有放大的掃描角的掃描光束用於以寬視場在視網膜 上重建和顯示圖像。
優選地，會聚反射器的橢圓形反射面可以是準橢圓形反射面，該
的掃描光束在眼睛的瞳孔上的任何不會聚。
優選地，掃描源可包含用於產生光束的光束髮生器、用於將圖像 像素分給掃描中的各位置上的光束的調製器、和用於在兩個維度中在 各維度中的掃描角度上使光束改變方向的掃描器.
優選地，掃描源可被配置為在各維度中的掃描角度上非線性掃描 光束，以對發散反射器上的掃描角度的任何非線性放大進行補償，由 此保證正確地在視網膜上顯示圖像。
優選地，掃描源可被配置為使圖像預先非線性變形，以對發散反 射器上的掃描角度的任何非線性放大進行補償，由此保證正確地在視 網膜上顯示圖像。
優選地，掃描源可被配置為在兩個維度中掃描光束以產生光束的 錐形束。
優選地，掃描源可被配置為掃描以在眼睛的視網膜上顯示二維圖像。
優選地，掃描源可被配置為為了在眼睛的視網膜上顯示三維圖像 根據圖像的各像素的相對深度調整光束的焦點。
在第三方面中，本發明概括地是一種用於在用戶的兩個眼睛的視
網膜上顯示圖像的直接視網膜顯示器，該直接視網膜顯示器包括被 配置為在兩個維度中在各維度中的掃描角度上產生兩個掃描光束的掃 描源，每個掃描光束用於一個眼睛，該掃描光束被圖像調製；掃描光 束的路徑中的發散反射器，該發散反射器被配置為用放大的掃描角向 外反射入射到發散反射器的對邊上的掃描光束；和各反射的掃描光束 的路徑中的兩個會聚反射器，每個會聚反射器用於一個眼睛，該會聚 反射器被配置為基本上向各眼睛的瞳孔上的會聚點反射具有放大的掃 描角的掃描光束用於以寬視場在視網膜上重建和顯示圖像。
優選地，發散反射器可在掃描光束的路徑中包舍基本為球形的反 射面。更優選地，發散反射器可以是位於兩個會聚反射器之間的球面 反射器。
優選地，會聚反射器可在從發散反射器反射的掃描光束的路徑中 包含準橢圓形反射面。
在一種形式中，存在兩個發散反射器，每個發散反射器用於一個 眼睛，每個位於掃描光束中的一個的路徑中並被配置為將掃描光束反 射到各個會聚反射器上。更加優選地，發散反射器可以是球面反射器
並且會聚反射器是準橢圓形反射器。
優選地，顯示器可被配置為可固定到用戶的頭部上。 在本說明書和權利要求中使用的術語"包含"意味著"至少部分
由......組成"，也就是說，當解釋包含該術語的本說明書和權利要求中
的語句時，各語句中的以該術語開始的特徵均需要具備，但其它的特
性也可具備。
本發明包含上述內容，並且還設想以下僅給出例子的結構。


現在僅作為例子參照

本發明的優選實施例，其中
圖1是表示本發明的DRD的優選實施例的示意圖，該DRD利用
掃描器、半球形反射器和修改的橢圓形反射器以在視網膜上提供一維
圖像；
圖2是半球形反射器上的掃描束的輸入掃描角(e)和輸出掃描角
((j))之間的關係圖3是掃描器射束在瞳孔上的輸入掃描角(e)和瞳孔掃描角(p)
之間的關係圖4是表示圖1的DRD的示意圖，其中無修改的橢圓形反射器 代替修改的橢圓形反射器並導致掃描的射束的射線在瞳孔上的不會
聚；
圖5更詳細表示由於使用圖4所示的無修改橢圓形反射器導致的
半球形反射器中的虛擬原點上的掃描射束的不會聚射線；
圖6表示用於計算修改的橢圓形反射器的形狀的總體幾何和符
號；
圖7表示使用由多個橢圓限定的點產生修改的橢圓形反射器，其 中僅示出兩個橢圃；
圖8表示球面反射器及相關的符號和參數之間的幾何關係的近視
圖9是輸入掃描角(escan)和球面角(小)之間的關係圖IO是輸入掃描角(escan)和反射的射線與水平線之間的夾角 (\|/)之間的關係圖11是表示用於在視網膜上產生二維圖像的本發明的優選實施 例DRD的3D線框模型的示意圖12表示由圖11的DRD產生的雷射束點(出射孔)在用戶的 瞳孔的位置上的強度分布面；
圖13表示圖12的強度分布的反灰度級圖像；
圖14表示安裝在用戶的頭部上的本發明的DRD的優選實施例的 側視圖15表示安裝在用戶的頭部上的本發明的DRD的優選實施例的 平面圖，該DRD使用單一球面反射器；
圖16表示安裝在用戶的頭部上的本發明的DRD的替代性實施例 的平面圖，該DRD使用兩個球面反射器。
具體實施例方式
本發明涉及產生寬視場的DRD系統、該寬視場例如對各個眼睛 約為水平的100度和垂直的90度。DRD包含非線性和非傍軸光學設 計。DRD使得能夠從相對較小的角度輸入掃描進行寬角度輸出掃描。 特別地，DRD利用發散反射器以放大來自光源的掃描束的角度，並利 用會聚反射器以重新將射束掃描會聚為基本上與眼睛的瞳孔一致的會 聚點或會聚點，用於在眼睛的視網膜上重建圖像。可以理解，會聚點 或會聚點可根據DRD系統的規格改變表面積尺寸。在優選的形式中， 會聚點基本上覆蓋眼睛的瞳孔。
參照圖1，示出DRD裝置10的優選實施例。如上所述，DRD10 使用非線性光學角度放大以從相對較小的角度輸入掃描在眼睛上產生 寬視場(寬角度輸出掃描)。DRD10結合會聚反射器16使用用於從 掃描源14放大掃描射束角度的發散反射器12，該會聚反射器16用於 將射束掃描重新會聚到基本上與眼睛的瞳孔18—致的位置上，使用這 種配置，DRD10從相對較小的角度輸入掃描產生寬視場。
為了清楚起見，將主要參照圖1所示的DRD10的二維(2D)平 面圖關於產生一維(1D-線)圖像說明DRD。但是，可以理解，如 後面關於圖11~16說明的那樣，DRD可被配置為在視網膜上產生二 維或三維(3D)圖像。並且，圖l表示用於一個眼睛的DRD 10，但 可以理解，DRD可根據需要很容易地被調整為適於兩個眼睛，並且也 將在後面關於圖14~16說明這一點。
DRD 10利用包含光束髮生器和用於在希望的角度20上掃描射束 以產生發散的射線束22的掃描器的掃描源14。優選地，光束髮生器 產生希望的波長的雷射束。掃描器可以為任何適當的用於在DRD應 用中掃描雷射束的技術。掃描器只需要較小的預定的掃描角度，諸如 機械的至少2°，並可例如為傾斜-傾斜掃描器或任何其它類型的基於微 型光機電系統(MOEMS)的掃描器。優選地，掃描器以至少20kHz 的視頻速率操作，但可以理解也可以根據應用使用更低的掃描速度。 並且，可以理解，掃描器可以根據圖像是1D、 2D還是3D在例如水 平或垂直方向或這兩個方向上以一個或兩個自由度掃描射束。光束髮 生器可例如包含用於產生有色的雷射束的雷射器或發光二極體(LED ) 的配置。在優選的實施例中，雷射器被用於光束髮生器中。掃描源14 還包含將圖像信息調製到從掃描源發射的雷射束上的調製能力。
在操作中，依次由掃描源14掃描的射線束22中的各雷射束在其 路徑中入射到發散反射器是12上。在圖1所示的優選實施例中，發散 反射器12為半球形或基本上為半球形，但可以理解，發散反射器可為 球形、基本上為球形或者它只需要具有足夠的球形或基本上為球形的 表面以容納射線束22的掃描角度20的側向界限上的入射雷射束。如 果全球面反射器被使用，那麼對於用戶的第二個眼睛另一半可形成 DRD的發散反射器的一部分，並且，將在下面參照圖14~16說明這 一點。
在掃描的雷射束射到發散發光鏡14上後，它被發散反射器反射到 會聚發光鏡16上。會聚反射器基於橢圓，該橢圃具有使得源自一個焦 點的射線會聚到第二焦點上的幾何特性。在優選的實施例中，會聚反
射器16包含修改的橢圓(準橢圓)凹面，該凹面大到足以容納在增加 的掃描角度的側向界限上從發散反射器12反射出去的雷射束24。修 改的橢圓形反射器16被成形為在瞍孔上重新會聚從發散反射器12反 射出去的入射雷射束24。眼睛的透鏡從而可從射線束24在視網膜上 重構(在這種情況下) 一維圖像。將在下面參照圖4-10說明改變的 橢圓形反射器的幾何形狀的計算。
發散反射器12和會聚反射器16可由玻璃、塑料或任何其它適當 的材料形成。在優選的形式中，發散反射器12從玻璃成形和拋光得到， 並且會聚反射器16從例如丙烯酸樹脂的塑料形成或注模得到。根據用 於形成反射器12、 16的材料，它們將具有固有的反射質量或將被塗敷 諸如保護鋁的反射塗層。可以理解，發散反射器12是全反射的，但是， 如果需要擴張的現實顯示器，那麼會聚反射器可以是全反射或部分反 射的，由此使得圖像與用戶觀察的現實生活景物重疊。
現在更詳細說明圖1所示的優選實施例DRD的操作。為了產生 一維圖像，在角度20上產生和掃描來自掃描源14的雷射束，該角度 20在這種情況下為4.5度，但可以理解，這種輸入掃描角度可根據應 用、希望的DRD的規格和掃描源的掃描器技術規格改變。在掃描角 度20上的各不同的點上，雷射束被調製為產生不同的圖像承栽射束， 該圖像承栽射束與用於在視網膜上顯示的圖像的 一個像素有關。掃描 角度20上的單個調製射束的組合包含掃描坐標可能為笛卡爾坐標或 極坐標的圖像即光柵掃描。各單個調製的雷射束(示為射線束22)依 次射到半球形反射器12上。半球形反射器12然後向準橢圓形反射器 16反射射線束22的各射束，在這樣做時以依賴於其在半球形反射器 U上的各入射(輸入)角(e)的輸出角(<|))反射各個射束。圖2是 表示4.5度上的輸入掃描角(e)和輸出掃描角(小)之間的關係的示 圖，表示約12倍的掃描角度放大因子。圖3是表示對於輸入掃描的瞳 孔上的角度(p)，對於第一掃描點和最後的掃描表觀視場角度的I3角 不同。可以參照圖6更好地解釋這一點，其中，pc是從第一掃描點的 瞳孔上的角度，它例如是約115度，p-是從最後的掃描點的瞳孔上的
角度，它例如是約13度。兩個p角之間的差值是瞳孔的視場，該視場 在這種情況下超過100度。
如圖1所示，與半球形反射器12上的相鄰入射束的相對角度相比， 各射束相對於其相鄰射束的反射角度改變。這樣，射線束22發散性增 加，使得入射到準橢圓形反射器16上的射束的掃描角比入射到半球形 反射器12上的射束的掃描角20大。在這種情況下，掃描角從4.5度 增加到53度。如圖3所示，這使最終在視網膜上顯示的圖像的表觀視 場增加到初始視場的約22倍。這使得能夠在不需要增加掃描源14上
的分^率的情況下在視網膜上以更大的格式顯示相同二圖像。反射; (小)的大小依賴於球面半徑、半球形反射器12到掃描源14的距離和
入射掃描角(e)。
半球形反射器12的角度放大因子相對於入射掃描角(e)不是線 性的，這導致像素間隔在視網膜上是非線性的。可以通過在射束角度 20上非線性掃描以產生所需的線性間隔，即，通過預先使光柵掃描模 式變形或者替代性地通過預先使要被顯示的圖像變形，對輸入掃描源 14補償這種非線性。入射到準橢圓形反射器16上的發散的射線束24 然後重新會聚到與眼睛的瞳孔一致的會聚點18上。瞳孔然後沿視網膜 上的位置依次聚焦射線束24的各單個射束，以從由各調製雷射束表示 的像素重建圖像，
現在將參照圖4~10說明修改的橢圓形反射器的幾何形狀的計 算。圖4表示利用無修改橢圓形反射器32而不是修改的橢圓形反射器 的DRD30的替代性實施例。如圖所示，無修改橢圓形反射器32不是 優選的，因為它導致射線束在瞳孔上不會聚，並且這導致圖像劣化。 可以參照圖5解釋不會聚的原因，該圖示出入射到半球形反射器12 上的射束掃描射線22和得到的反射射線36。無修改橢圓形反射器具 有如圖5所示的位於半球形反射器12內的平均虛擬原點36上的焦點 和如圖4所示的眼睛的會聚點上的焦點。不會聚妁射線34的模式是半 球形反射器12內的虛擬射線模式在點38上的放大的反射。但是，無
修改橢圓形反射器32的表面可被修改以對雷射束的不會聚進行校正， 以產生如圖1的優選實施例DRD 10所示的準橢圓形反射器16。
作為例子，現在參照數學公式和圖6 10說明在兩個維度中計算 修改的橢圓形反射器16或修改的橢圓函數的方法。首先，將說明計算 過程的概要。該過程包括利用具有無修改橢圓的DRD 30配置的規格 和幾何參數的迭代計算。特別地，使用幾何代數以有效地在半球形反 射器12的表面上有效掃描射束，使得它被反射到無修改橢圓形反射器 32上並然後被橢圓形反射器反射到會聚點18 (瞳孔)。對於各射束位 置，如圖6和圖7所示形成一組三角形。這些三角形邊的長度和角度 然後如下面進一步解釋的那樣被計算並被用於計算形成修改的橢圓或 橢圓形狀的一部分的空間中的點Pn。各點pn然後被定位以保證來自 半球形反射器12的反射的射束重新聚合到與瞳孔一致的一個點18上。 通過對各個射束位置計算不同的橢圓參數實現這一點。橢圓的半長軸 被固定，但偏心率對於各個橢圓變化。橢圓焦點中的一個被固定在與 點18上的眼睛的瞳孔一致的位置上。如圖7所示，另一焦點對於半球 形反射器12上的掃描射線的與截點F2n —致的各不同橢圓改變位置。
現在參照數學公式和圖6~10說明詳細的數學計算過程。對於本 數學解釋，半球形反射器12被稱為球體，橢圓形反射器16被稱為橢 圓。以下參照圖6~8說明變量的定義、開始的公式和用於產生修改的 橢圓的解。
變量的定義
掃描的輸入角-掃描角+偏斜角(e-escan + eoff)。
從掃描源到用於偏斜射線的球面的距離為d，並且球體的半徑是R。
利用瞳孔上的焦點和射線在球體上的擊點形成橢圓。參照圖6, 瞳孔上的焦點Fi保持固定，而球體上的擊點上的焦點F2隨射線掃描 而移動，即，F2代表各射束在球體上的擊點。對於各掃描位置(一直 到n)，產生新的橢圃以為位於新橢圓pn上的射線擊點上的修改的橢 圓提供空間位置。注意，焦點F2具有上標n以指示該點限定幾號橢圓。
橢圓參數半長軸a、半短軸b和偏心率s。注意，半長軸a被固 定，偏心率e隨橢圓產生而變化並被編為索引表格。 一個焦點F,上的
點被固定，並且另一焦點F2上的點不被固定，因此被編為索引表格。
對於焦點Ft僅存在一個位置(固定在瞳孔上)。橢圓表面上的點Pn 也被編為索引表格。
產生達到任意精度的修改的橢圃所需要的點數是n。特別地，n=0 到所需要的點數。例如，n^是0off點即0scan-O或第一橢圓。
參照圖7,三角形的邊由焦點之間的距離Gn和橢圃上的射線擊點 和焦點之間的距離A11、 B"艮定。
橢圓三角形的邊的對角使用與A、 B、 G對應的小寫希臘字母a、 P、 Y，即，A具有對角a， B具有對角p， G具有對角y。這些角^L標記為 與iixt應的列表。
參照圖8，擊點和球體的中心對著的角是f並且反射射線與水平
線之間的夾角是\|/。入射角和從球體上的擊點的反射角是g。並且，參 照圖6和圖7，橢圓長軸到水平線的傾角是S。三角形的邊B和橢圓的 長軸之間的夾角是Q。這些角均被編為索引表格。
參照圖8，球體的半徑R減去球體擊點在水平軸上的投影是AR， AR = R(l-cos(J))。球體擊點矢量R在垂直軸上的投影是h2。球體從輸 入射束的原點(掃描起始的點)移動的垂直距離是hl，該垂直距離被 固定並由偏移角0off限定，並且不是索引表。到掃描射束原點的水平 線一般標為40。
開始的公式
將e表達為小的函數並然後求出(l)。通過檢查具有這些開始的表達 式/公式
e = 0scan + 0off [1]
hl=dTan[eoff] [2]
h2 = RSin[(j)] [3] (hi +h2)/(d + AR) = Tan[e]
或
(hi + h2) = (d + AR) Tan[e] [4]
將式[1]和2代入[4中，給出
d Tan[e。司+ R Sin[)〗=(d + AR) Tan問 或
Tan[e〗=(d Tan
+ R Sin[(l)])/(d + AR) [5] 從圖8使用AR-R-RCos[(J)]，給出 [6] 0 = ArcTan[(d Tan[eoff] + R Sin[(J)])/(d + R-R Cos[小])] [7] 解
求解小給出
(j) = ArcCos[(-d R Tan[eoff] Tan
2 + R2 Tan
Tan
+2dR3 Tan[eoff] Tan[eoff + 0scan] 一 d2 R2 Tan[6off + escan]2 — 2 d R3 Tan[9off + 0scan]2) )/ (R2 +R2 Tan
2)] [8]
由於其它的解是負的或接近錯誤方式，因此使用第4解。參照圖 9，輸入掃描角(escan)與擊點上的球面角(小)的關係以弧度被畫出。
參照圖6，來自球體上的擊點的反射的射線與水平線之間夾角被 限定如下
V = 2小+ 9 [9] 因此，將式[71和8代入[91中，給出
formula see original document page 21
參照圖10,輸入掃描角(escan)與擊點上的發散的反射射線與水 平線之間的夾角(v)的關係以弧度被畫出。
現在橢圓長軸a傾斜角度S，並且，隨著射束掃描和橢圓以sn產生， 傾角y變化。通過角度的檢查(ti的弧度是180度)
formula see original document page 21
將r表達為Q的函數，使得r (或B"是從焦點(擊點)到角度n 上的橢圓上的點的距離，給出
formula see original document page 21
設Bn叫r卜參見圖6或圖7，給出
formula see original document page 21
對Q使用上面的表達式[ll，給出
formula see original document page 21
參照圖6，三角形的水平的邊Gn被限定為
formula see original document page 21
並且，
X + AR = Gn Cos[Sn] [16] 因此，
CosSn =(X + AR)/Gn [17] 將式6和14代入[17中，給出
5n = ArcCos [(G0 Cos S0 + R (1 - Cos小))/ Gn] [18] 為了得到G-的表達式，考慮Gn的笛卡爾邊的和或平方
formula see original document page 22 [ 19]
將式[3、[614和15代入19]中，給出
Gn = V ((G0 Cos S0 + R (1 - Cos[(j)]))2 + (G0 Sin + R Si,])2) [20] 將式[201代入[18中，給出formula see original document page 22
使用式[13和21關於a、 s、小、9scan、 0off、 G°、 Sn和R提供B11
的表達式。如式[7]的解所示，小可由R、 d、 eoff和9scan表達。從初始 設置幾何，R和d是已知的，並且eoff是已知的。因此，(j)可被算出。 0scan是驅動整組公式和橢圓的產生的驅動參數。從初始設置幾體G。 和&也是已知的，在該階段僅有的未知項是橢圃半長軸a和橢圃的偏
心率s。如上所述，半長軸a被固定，並且偏心率s對於各個橢圓變化。 半長軸a可通過使用橢圓標準公式從初始設置幾何算出
a = (A0 + B0) / 2 [22]
AG和BQ是根據初始設置幾何已知的。
隨著射線被掃描，產生一組空間點Pn以在兩個維度中規定修改 的橢圓的表面。 由於G"^2as，因此
sn = GV2a [23]
因此，三角形的邊Gn的長度可被用於計算橢圓的偏心率，然後， 偏心率可被用於通過使用用於S11的式21和13計算Bn。
為了得到修改的橢圓的空間位置pn，需要基準點。例如，球體的 中心可被選為基準點。
參照圖8，需要添加矢量R和r。
位置pn的表格給出修改的橢圓的形狀，並可通過增加n以任意的 精度被計算。可以理解，上述技術可很容易地被擴展到三維中以為2D 或3D DRD產生修改的橢圓的幾何形狀。
圖11表示用於在眼睛的視網膜上產生二維圖像的優選實施例 DRD 50。DRD50配置是用於在視網膜上產生一維圖《象的圖1的DRD IO的擴展。與DRD10類似，DRD50包含掃描源52、半球形反射器 54和修改的橢圓形反射器56。在掃描源52上產生的雷射束58可在半 球形反射器54的兩個維度上被掃描(光柵掃描)，並可承栽被反射到 修改的橢圓形反射器56 (準橢圓形反射表面)上並以二維方式在用戶 的眼睛62的瞳孔60上重新會聚用於在視網膜上重建圖像的二維圖像。 掃描源52的掃描器能夠例如沿水平和垂直方向用至少兩個自由度掃 描雷射束，以產生為二維圖像示出的射線錐(射線的錐形束)。上面 關於一維掃描說明的非線性和橢圓修改技術可很容易地適於二維掃描
的應用。可以理解，DRD 50還可適於通過射束的重新聚焦在視網膜 上提供三維圖像。通過適當地調整雷射束的焦點，各像素的相對深度 可被傳送給視網膜。
參照圖12,示出由DRD 50產生的雷射束點或出射孔的強度分布。
特別地，示出從發散的半球形反射器54和會聚的修改的橢圓形反射器 56反射之後的用戶的眼睛62的瞳孔60上的雷射束點的強度分布。圖 13將圖12的同一強度分布表示為強度的反灰度級圖像，使得圖像的 較黑的部分與雷射束點的更強的部分對應。圖13的圖像具有作為例子 用於提供雷射束點(出射孔)的尺寸的指示的比例。在這種情況下， 出射孔具有約12mm的直徑，這是使眼睛移動的影響最小化的相對較 大的出射孔。特別地，出射孔尺寸大到足以覆蓋眼睛的瞳孔，使得即 使眼睛有適度的移動雷射束也仍會穿過視網膜。可以理解，出射孔的 尺寸可以根據部件規格和設計要求增加或減小。在眼睛具有更大的總 體移動使得出射孔錯過瞳孔的情況下，可以如下面所述的那樣利用跟 蹤控制機構以移動DRD反射部件或掃描器位置，以保證出射孔覆蓋 眼睛的瞳孔。
圖14表示安裝在用戶的頭部72上的DRD系統70的優選實施例 的側視圖。DRD70利用掃描源、發散的球面反射器74和會聚的修改 的橢圓形反射器76。在該視圖中，掃描源未被示出，並且掃描的雷射 束被引入頁中引到球面反射器74上。掃描的雷射束的角度偏斜，並被 掃描到兩個方向75以從發散的球面反射器74反射出來並反射到會聚 的修改的橢圓形反射器76上，該橢圓形反射器76被安裝在用戶的眼 睛78的前面。掃描的雷射束然後被反射回用戶的瞳孔79，從而產生 與圖12和圖13所示的類似的強度分布。
圖15表示安裝在用戶的頭部82上的DRD系統80的另 一優選實 施例的平面圖。在該DRD80中，兩個會聚的修改的橢圓形反射器84 被示出，每個橢圓形反射器84用於一個眼睛，但只使用一個發散的球 面反射器88，該球面反射器88可例如被安裝在用戶的鼻子85的鼻梁 上。掃描源或掃描源的掃描器87被安裝在頭部82的邊上並沿垂直和/ 或水平方向產生較小的偏斜掃描角，該掃描角被放大以在用戶的瞳孔 上產生超過90度角的視場。
圖16表示使用安裝在各眼睛94附近以及鼻子96的任一邊的兩個 發散的球面反射器92的DRD系統90的替代性實施例的平面圖。DRD
90的其它部件與關於圖15的DRD80詳細說明的相同。
可以理解，關於圖14 16說明的頭部安裝的DRD可被集成到一 副眼鏡中，或者DRD可採取可被用戶安全配戴的眼鏡的形式。並且， 可以理解，DRD可被配置為如上所述產生1D、 2D或3D圖像。
如上所述，所述的DRD可適於包含跟蹤控制機構以移動發散和 會聚反射器，以跟蹤眼睛的移動，以保證如果眼睛移動導致瞳孔移動 到雷射束點(出射孔)外面保證圖像的連續性。例如，反射器可被相 互固定，使得它們一致地移動。以這種方式，球面反射器內的修改的 橢圓形反射器的第一焦點相對於修改的橢圓形反射器保持靜止。使用 這種配置，瞳孔上的笫二焦點將與反射器一致地移動。並且，可進行 在其承窩中繞某點旋轉的移動以模仿眼球的移動。作為替代方案，可 以輕微地減小視場以通過掃描器允許整個圖像的角移動，以對眼睛移 動進行補償。
所述的DRD還包含在顯示圖像的同時對視網膜中的血管的網絡 成像的能力。這有助於為隨後的補償測量任何眼睛移動，以保證掃描 器保持在瞳孔中心，並且保證圖像相對於視網膜靜止。並且，血管的 網絡的圖像可被用於唯一地識別DRD的用戶。如上所述，DRD也可 利用部分反射的會聚反射器，使得圖像可重疊於現實生活景物上。可 通過使用微型機電系統或微型光機電系統(MEMS/MOEMS)實現優 選形式的或具有附加的任選的特性的DRD以減小裝置的總體尺寸。
總之，本發明的DRD通過從被圖像調製的相對較小的角度輸入 掃描在眼睛的瞳孔上產生寬角度輸出掃描提供寬視場。DRD可被配置 為在一個眼睛上或同時在兩個眼睛上顯示圖像。DRD可被配置為顯示 彩色或單色的1D、 2D或3D圖像。由DRD產生的相對於眼睛的沿水 平方向的視場可根據需要被改變，並優選為至少80度、更優選至少 100度，甚至更優選至少120度，以更接近地與人眼的水平角度性能 匹配。由DRD產生的相對於眼晴的沿垂直方向的視場也可根據需要 被改變，並優選為至少60度、更優選至少80度，甚至更優選至少90 度，以與人眼的垂直角度性能匹配。由DRD顯示的圖像的解析度(以
像素表示)可根據圖像源質量根據需要被選擇，並優選為至少800x600 (水平x垂直)、更優選為至少1280x1024、甚至更優選為至少 8000x5000,以與人眼的解析度極限匹配。掃描源上的輸入掃描角優選 為至少2度，更優選至少5度。可以理解，可以通過改變從掃描器到 球面反射器的距離d和球面反射器的半徑R調整輸入掃描角的放大倍 數，以產生希望的視場。作為例子，輸入掃描角對於放大的掃描角的 放大因子優選為至少20，更優選至少25。可以理解，DRD可被配置 為根據需要顯示靜物或移動(例如視頻)圖像。
存在範圍廣泛的可利用根據本發明的DRD的應用。它可被加入 用於娛樂、醫療、軍事、培訓設備等的虛擬和擴張的實現顯示系統中。
本發明的上述說明包含其優選的形式。在不背離由所附的權利要 求規定的本發明的範圍的情況下，可以提出變更方式。
權利要求
1.一種用於以寬視場在眼睛的視網膜上顯示圖像的直接視網膜顯示器，包括被配置為在兩個維度中在各維度中的掃描角度上產生掃描光束的掃描源，該掃描光束已被圖像調製；掃描光束的路徑中的發散反射器，該發散反射器被配置為用放大的掃描角向外反射入射到發散反射器上的掃描光束；和反射的掃描光束的路徑中的會聚反射器，該會聚反射器被配置為基本上向眼睛的瞳孔上的會聚點反射具有放大的掃描角的掃描光束用於以寬視場在視網膜上重建和顯示圖像。
2. 根據權利要求l的直接視網膜顯示器，其中，發散反射器在掃 描光束的路徑中至少部分包含球形反射面，使得入射到球形反射面上 的掃描光束以放大掃描角度的變化的角度被反射，以產生寬視場。
3. 根據權利要求2的直接視網膜顯示器，其中，發散反射器是半 球形反射器。
4. 根據權利要求2的直接視網膜顯示器，其中，發散反射器是球 面反射器。
5. 根據前面的權利要求中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 會聚反射器在從發散反射器反射的掃描光束的路徑中至少部分包含基 本上橢圓的反射面，使得入射到基本上橢圓的反射面上的掃描光束基 本上向著眼睛的瞳孔上的會聚點被反射。
6. 根據權利要求5的直接視網膜顯示器，其中，會聚反射器是橢 圃形反射器。
7. 根據權利要求5的直接視網膜顯示器，其中，會聚反射器是準 橢圓形反射器，該準橢圓形反射器被成形為減少由發散反射器的形狀 導致的掃描光束在眼睛的瞳孔上的任何不會聚。
8. 根據前面的權利要求中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 掃描源包含用於產生光束的光束髮生器、用於將圖像像素分給掃描中 的各位置上的光束的調製器、和用於在兩個維度中在各維度中的掃描 角度上使光束改變方向的掃描器。
9. 根據權利要求8的直接視網膜顯示器，其中，光束髮生器包含 雷射器的配置。
10. 根據權利要求8的直接視網膜顯示器，其中，掃描器的光束 發生器包含發光二極體的配置。
11. 根據前面的權利要求中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 掃描源被配置為在各維度中的掃描角度上非線性掃描光束，以對發散 反射器上的掃描角度的任何非線性放大進行補償，由此保證正確地在 視網膜上顯示圖像。
12. 根據權利要求1 10中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 掃描源被配置為使圖像預先非線性變形，以對發散反射器上的掃描角 度的任何非線性放大進行補償，由此保證正確地在視網膜上顯示圖像。
13. 根據前面的權利要求中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 掃描源被配置為在兩個維度中掃描光束以產生光束的錐形束。
14. 根據前面的權利要求中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 掃描源被配置為在眼睛的視網膜上掃描二維圖像。
15. 根據權利要求1 13中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 掃描源被配置為為了在眼睛的視網膜上顯示三維圖像根據圖像的各像 素的相對深度調整光束的焦點。
16. 根據前面的權利要求中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 會聚反射器部分反射並且部分透明以使得圖像能夠被疊加到用於擴張 的現實的現實生活景物上。
17. 根據前面的權利要求中的任一項的直接視網膜顯示器，還包 括跟蹤控制機構，該機構被配置為跟蹤眼睛的移動和調整發散和會聚 反射器的位置，使得會聚點跟隨瞳孔移動。
18. 根據權利要求17的直接視網膜顯示器，其中，該跟蹤控制機 構還包括視網膜成像部件，以幫助跟蹤眼睛的移動。
19. 根據前面的權利要求中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 會聚點足夠大，以基本上覆蓋眼睛的瞳孔以減少眼睛移動的影響。
20. 根據前面的權利要求中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 相對於眼睛沿水平方向在眼睛上產生的視場為至少80度。
21. 根據權利要求1 19中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 相對於眼睛沿水平方向在眼睛上產生的視場為至少100度。
22. 根據權利要求1 19中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 相對於眼睛沿水平方向在眼睛上產生的視場為至少120度。
23. 根據前面的權利要求中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 相對於眼睛沿垂直方向在眼睛上產生的視場為至少60度。
24. 根據權利要求1~22中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 相對於眼睛沿垂直方向在眼睛上產生的視場為至少80度。
25. 根據權利要求1~22中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 相對於眼睛沿垂直方向在眼睛上產生的視場為至少90度。
26. 根據前面的權利要求中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 顯示的圖像的解析度為水平方向上的至少800像素乘以垂直方向上的 至少60(H象素。
27. 根據權利要求1 25中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 顯示的圖像的解析度為水平方向上的至少1280像素乘以垂直方向上 的至少1024像素。
28. 根據權利要求1~25中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 顯示的圖像的解析度為水平方向上的至少8000像素乘以垂直方向上 的至少5000像素。
29. 根據前面的權利要求中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 任一維度中的掃描角度為至少2度。
30. 根據權利要求1 28中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 任一維度中的掃描角度為至少5度。
31. 根據前面的權利要求中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 任一維度中的掃描角度被放大至少20倍。
32. 根據權利要求1~30中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 任一維度中的掃描角度被放大至少25倍。
33. 根據前面的權利要求中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 顯示器用於在兩個眼睛的視網膜上顯示圖像，並包含兩個會聚反射器， 每個會聚反射器用於一個眼睛，並且掃描源被配置為向著位於會聚反 射器之間的發散反射器的對邊在兩個維度中在各維度中的掃描角度上 產生用圖像調製的二個掃描光束，該發散反射器被配置為向著各個會 聚反射器以放大的掃描角度反射各掃描光束，各會聚反射器被配置為 基本上向著各眼睛的瞳孔上的會聚點反射各掃描光束，用於在各眼睛 的視網膜上重建和顯示圖像。
34. 根據權利要求33的直接視網膜顯示器，其中，會聚反射器是 準橢圓形反射器，該準橢圓形反射器被成形為將掃描光束會聚到各眼 睛的瞳孔上的會聚點上，並且發散反射器是球面反射器。
35. 根據權利要求1~32中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 直接視網膜顯示器用於在兩個眼睛的視網膜上顯示圖像，並包含用於 各個眼睛的掃描源、發散反射器和會聚反射器。
36. 根據前面的權利要求中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 直接視網膜顯示器被配置為安裝到用戶的頭部上。
37. —種用於以寬視場在眼睛的視網膜上顯示圖像的直接視網膜 顯示器，包括被配置為在兩個維度中在各維度中的掃描角度上產生掃描光束的 掃描源，該掃描光束被圖像調製；掃描光束的路徑中的具有球形反射面的發散反射器，該發散反射 器被配置為用放大的掃描角向外反射入射到球形反射面上的掃描光 束；和反射的掃描光束的路徑中的具有基本上橢圓的反射面的會聚反射 器，該會聚反射器被配置為基本上向眼睛的瞳孔上的會聚點反射具有 放大的掃描角的掃描光束用於以寬視場在視網膜上重建和顯示圖像。
38. 根據權利要求37的直接視網膜顯示器，其中，會聚反射器的 橢圓形反射面是準橢圓形反射面，該準橢圓形反射面被成形為減少由 發散反射器的球形反射面的形狀導致的掃描光束在眼睛的瞳孔上的任 何不會聚。
39. 根據權利要求37或38的直接視網膜顯示器，其中，掃描源 包含用於產生光束的光束髮生器、用於將圖像像素分給掃描中的各位 置上的光束的調製器、和用於在兩個維度中在各維度中的掃描角度上 使光束改變方向的掃描器。
40. 根據權利要求37 ~ 39中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 掃描源被配置為在各維度中的掃描角度上非線性掃描光束，以對發散 反射器上的掃描角度的任何非線性放大進行補償，由此保證正確地在 視網膜上顯示圖像。
41. 根據權利要求37 ~ 39中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 掃描源被配置為使圖像預先非線性變形，以對發散反射器上的掃描角 度的任何非線性放大進行補償，由此保證正確地在視網膜上顯示圖像，
42. 根據權利要求37 ~ 41中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 掃描源被配置為在兩個維度中掃描光束以產生光束的錐形束。
43. 根據權利要求37 ~ 42中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 掃描源被配置為掃描以在眼睛的視網膜上顯示二維圖像。
44. 根據權利要求37 ~ 42中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 掃描源被配置為為了在眼睛的視網膜上顯示三維圖像根據圖像的各像 素的相對深度調整光束的焦點。
45. —種用於在用戶的兩個眼睛的視網膜上顯示圖像的直接視網 膜顯示器，包括被配置為在兩個維度中在各維度中的掃描角度上產生兩個掃描光 束的掃描源，每個掃描光束用於一個眼睛，該掃描光束被圖像調製；掃描光束的路徑中的發散反射器，該發散反射器被配置為用放大 的掃描角向外反射入射到發散反射器的對邊上的掃描光束；和各反射的掃描光束的路徑中的兩個會聚反射器，每個會聚反射器 用於一個眼睛，該會聚反射器被配置為基本上向各眼睛的瞳孔上的會 聚點反射具有放大的掃描角的掃描光束用於以寬視場在視網膜上重建 和顯示圖像。
46. 根據權利要求45的直接視網膜顯示器，其中，發散反射器在 掃描光束的路徑中包含基本為球形的反射面。
47. 根據權利要求45或46的直接視網膜顯示器，其中，發散反 射器是位於兩個會聚反射器之間的球面反射器。
48. 根據權利要求45 ~ 47中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 會聚反射器在從發散反射器反射的掃描光束的路徑中包含準橢圓形反 射面。
49. 根據權利要求45的直接視網膜顯示器，其中，存在兩個發散 反射器，每個發散反射器用於一個眼睛，每個位於掃描光束中的一個 的路徑中並被配置為將掃描光束反射到各個會聚反射器上。
50. 根據權利要求49的直接視網膜顯示器，其中，發散反射器是 球面反射器並且會聚反射器是準橢圓形反射器。
51. 根據權利要求45 ~ 50中的任一項的直接視網膜顯示器，其中， 顯示器被配置為可固定到用戶的頭部上。
全文摘要
提供一種用於以寬視場在眼睛(62)的視網膜上顯示圖像的直接視網膜顯示器(50)。該直接視網膜顯示器(50)包括被配置為在兩個維度中在各維度中的掃描角度上產生用圖像調製的掃描光束(58)的掃描源(52)。直接視網膜顯示器(50)還包括掃描光束(58)的路徑中的發散反射器(54)，該發散反射器(54)被配置為向會聚反射器(56)用基本上放大的掃描角向外反射入射到發散反射器(54)上的掃描光束(58)，該會聚反射器(56)被配置為基本上向眼睛(62)的瞳孔(60)上的會聚點反射掃描光束用於以寬視場在視網膜上重建和顯示圖像。
文檔編號G02B27/64GK101107557SQ200680002851
公開日2008年1月16日 申請日期2006年1月24日 優先權日2005年1月21日
發明者彼得·詹姆士·希爾頓 申請人:彼得·詹姆士·希爾頓