本發(fā)明涉及頭戴顯示器(HWD)，具體而言，涉及提供了使用具有內(nèi)置顯示功能的眼鏡將虛擬圖像疊加到正常視覺上的可能性的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

諸如智能電話等消費移動計算裝置的大規(guī)模的使用為人與電腦以及周圍環(huán)境的交互提供了新的可能性。預計下一代移動裝置將通過采用與當前的手持便攜式顯示屏不同的方式顯示信息來提供信息。投影顯示技術(shù)的進步正在使得近眼顯示器得以實現(xiàn)，例如，一副能夠看穿的眼鏡，其具有直接顯示給用戶的疊加信息。

透視(see through)顯示器已經(jīng)在國防應(yīng)用當中用了幾十年。例如，噴氣式戰(zhàn)斗機飛行員使用飛機中的平視顯示器(HUD)和頭盔式顯示器(HMD)向處于他/她的視場內(nèi)的飛行員提供導航信息和其它關(guān)鍵信息。盡管投影技術(shù)在不斷進步，但是當前在視場與透視HWD的體積和重量之間仍然面臨兩難境地。在大多數(shù)情況下，大的視場(>30-40度)需要大體積的光學設(shè)備，這使其難以應(yīng)用于很多應(yīng)用。人們引入了外形因子更可接受的較小視場系統(tǒng)，但是對于各種各樣的應(yīng)用乃至日常使用而言，創(chuàng)建具有美觀的外形因子的透視顯示器的可用實施方式仍是一個難題。

HWD的設(shè)計當中的一個主要困難是擴展顯示器的所謂的人眼窗口(eyebox)。人眼窗口是針對佩帶者眼睛的放置和移動的光學系統(tǒng)容限。其密切對應(yīng)于光學系統(tǒng)的出射光瞳。HWD中的常規(guī)方法是通過各種措施擴展光學系統(tǒng)的出射光瞳。但是，這通常導致更大體積的光學系統(tǒng)。

HWD常常是使用諸如LCOS和OLED面板陣列等微型顯示面板來實施的，采用允許佩帶者看到微型顯示器的遠程圖像的成像光學設(shè)備的形成光瞳或不形成光瞳的布置將所述面板呈現(xiàn)給眼睛。另一種不太常用的方法是視網(wǎng)膜投影。視網(wǎng)膜投影使用掃描元件將圖像直接光柵掃描到用戶的視網(wǎng)膜上。視網(wǎng)膜投影顯示器始自于1980年開發(fā)的掃描激光檢眼鏡(SLO)。該項技術(shù)后來被開發(fā)成了虛擬視網(wǎng)膜顯示器，這項開發(fā)是由Tom Furness于90年代在華盛頓州大學的HIT實驗室主導的(Thomas A.Furness等于1989年提交的美國專利5162828，題為“Display system for a head mounted viewing transparency”)(Thomas A.Furness等于1992年提交的美國專利5467104，題為“Virtual retinal display”)。此后提交了很多使用基于MEMS的掃描投影儀(即視網(wǎng)膜顯示器)的HWD專利。尤其需要指出的是在90年代中晚期最早致力于虛擬視網(wǎng)膜顯示器的商業(yè)化的華盛頓州大學和Microvision(華盛頓州大學附屬機構(gòu))所擁有的專利。該項工作所涉及的勞動的主要內(nèi)容是擴展系統(tǒng)的出射光瞳，其在其它情況下會因為低集光率(etendue)激光源的原因而很小。在專利文獻中發(fā)現(xiàn)的流行方法是使用衍射或漫射屏幕擴展光束，之后在將光束呈現(xiàn)給眼睛之前對其重新準直(Joel S.Kollin等于1996年提交的美國專利5701132，題為“Virtual retinal display with expanded exit pupil”)。這一方案的缺陷在于光束擴展光學設(shè)備帶來了具有與其它常規(guī)的HWD方法類似的權(quán)衡的額外的光學體積。

有很多創(chuàng)建多個和/或可轉(zhuǎn)向的小出射光瞳的方法。這些方法結(jié)合眼睛跟蹤而使用用于多個人眼窗口位置的激光器陣列(M.Tidwell于1998年提交的美國專利6043799，題為“Virtual retinal display with scanner array for generating multiple exit pupils”)(M.Tidwell于2000年提交的美國專利6204829，題為“Scanned retinal display with exit pupil selected based on viewer's eye position”)。還提出了基于眼睛跟蹤的具有可轉(zhuǎn)向出射光瞳的系統(tǒng)(John R.Lewis等于1998年提交的美國專利6396461，題為“Personal display with vision tracking”)。這些系統(tǒng)依賴于眼睛跟蹤，并且不使用對由多個出射光瞳產(chǎn)生的圖像進行統(tǒng)一的方法。

有幾種使用全息光學元件(HOE)的HWD實施方式。Takahashi等針對使用HOE和Maxwellian觀察裝置的系統(tǒng)申請了專利(Hideya Takahashi等于2005年提交的美國專利申請11/576830，題為“Image Display Unit and Electronic Glasses”)，但是這一專利中的系統(tǒng)看起來并未考慮激光掃描投影儀，而是通過空間光調(diào)制器的擴展光束。此外，也沒有針對復用或多個出射光瞳的討論。

使用微型顯示器連同單層全息圖作為合束器的概念也是已知的現(xiàn)有技術(shù)——例如美國專利3940204。根據(jù)所述工作的相關(guān)期刊出版物，描述了在這些系統(tǒng)中存在相當大的像差。這主要是因為在眼睛處需要12-15mm的大出射光瞳。這創(chuàng)建了更大孔隙、“更快的”光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)將更加難以對像差進行控制。投影儀的尺寸還與光束的數(shù)值孔徑以及眼睛位置上的出射光瞳的尺寸成正比。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了用于使用內(nèi)置到護目鏡中的顯示器將圖像顯示在人的視覺上的方法和設(shè)備。

在至少一個實施例中，本發(fā)明涉及使用幾個元件創(chuàng)建的HWD。1)掃描投影系統(tǒng)，其由受到諧振微機電系統(tǒng)(MEMS)掃描反射鏡反射的小集光率源(激光器或發(fā)光二極管(LED))構(gòu)成。對于掃描反射鏡的每個位置而言，可以通過光柵掃描在視網(wǎng)膜上形成像素。2)用作半反半透鏡的體積全息光學元件(HOE)，即，對來自投影系統(tǒng)的光進行反射從而將光重新引導至眼睛的透明屏。半反半透鏡元件執(zhí)行兩項主要功能。其允許來自外界的環(huán)境光通過從而向用戶提供正常視覺。其還將來自投影儀的掃描光重新引導至眼睛，從而在視網(wǎng)膜上提供所顯示的圖像。

在至少一個實施例中，本發(fā)明涉及用于將多個小出射光瞳置于眼睛上并對它們的位置加以控制的方法。小的分開的出射光瞳的組合創(chuàng)建了更大的有效人眼窗口。替代地，出射光瞳能夠針對特定的觀視位置而被策略性放置，而不是填滿整個視場。

在至少一個實施例中，使用反射全息記錄技術(shù)來制造半反半透鏡，在所述技術(shù)中，具有給定光波長和相似強度的兩個相干激光光束發(fā)生干涉。在給定光波長上，兩個光束中的被稱為參考光束的光束以掃描投影系統(tǒng)的特性(即與投影機構(gòu)(setup)匹配的入射角和位置)入射到全息材料上。給定光波長上的被稱為對象光束的第二光束入射到全息材料的相對側(cè)上，以產(chǎn)生反射全息圖。在一個實施例中，對象光束穿過大聚焦透鏡，從而在眼睛處產(chǎn)生反射全息圖的焦點。這樣做能夠?qū)⑼队跋到y(tǒng)的出射光瞳置于眼睛的入射光瞳的中心，使得對于給定眼睛位置和注視角度而言可以使投影圖像的所有部分都是可視的。在另一個實施例中，可以不將出射光瞳位置置于眼睛的入射光瞳處，而是置于眼睛的旋轉(zhuǎn)中心或者置于眼睛入射光瞳與眼睛旋轉(zhuǎn)中心之間。

此外，在至少一個實施例中，使用相似的感知顏色的幾個獨立的波長進行全息復用，以創(chuàng)建多個出射光瞳位置。通過使用具有小間隔的多個波長進行全息圖的記錄和讀取，能夠創(chuàng)建具有相似顏色的幾個出射光瞳位置。通過將點光源的陣列中繼成像至眼睛位置，在全息圖寫入機構(gòu)中創(chuàng)建了出射光瞳位置，即同時寫入的多個對象光束。在至少一個實施例中，這是使用用作點光源的精確布置中的光纖端面實現(xiàn)的。之后，利用放大(縮小)將光纖的點光源布置中繼成像至眼睛位置。通過在由HWD中的投影儀“讀取”全息圖時投射與用于記錄的波長相似的波長處的光，創(chuàng)建了多個出射光瞳。在至少一個實施例中，在投影之前在軟件中對窄帶波長中的每個波長進行單獨控制和預處理，以產(chǎn)生對應(yīng)于它們的各個出射光瞳位置的經(jīng)過空間偏移和失真補償?shù)膱D像。通過這種方式，在眼睛處創(chuàng)建了單個圖像。在至少一個實施例中，對直接調(diào)制激光器進行光束合并以形成光源。在一個實施例中，對各光束進行同軸合并以呈現(xiàn)至HOE。在另一個實施例中，對具有不同角度的光束進行合并，所述不同角度對應(yīng)于它們相應(yīng)的出射光瞳的空間間隔。替代地，在另一個實施例中，對多個LED光源進行光譜和空間濾波，并且對其進行同軸或非同軸光束合并，以形成光源。此外，在另一個實施例中，通過光譜選擇性調(diào)制器(例如，電吸收或聲光調(diào)制器)的陣列對諸如白光LED或激光器等寬帶光源進行調(diào)制。

此外，在另一個實施例中，針對每個出射光瞳位置對紅光、綠光和藍光(RGB)波長進行復用創(chuàng)建了具有多個出射光瞳的全色HWD。這樣做需要3倍于出射光瞳位置的數(shù)量的可獨立控制的源或光帶。例如，彩色單出射光瞳設(shè)計需要3個可獨立控制的光帶：一個紅色、一個綠色、一個藍色。具有兩個出射光瞳位置的設(shè)計需要6個可控波長帶：兩個紅色、兩個綠色以及兩個藍色。類似地，具有7個出射光瞳位置的設(shè)計將需要21個可獨立控制的光帶。

在又一個實施例中，打開和關(guān)閉多個出射光瞳以降低功耗。眼睛跟蹤用于確定在任何給定時刻應(yīng)當使用哪些出射光瞳。

在另一個實施例中，在使用微型面板顯示元件而非掃描反射鏡的HWD中創(chuàng)建多個出射光瞳。HOE中的波長復用用于在眼睛處將不同波長的光分開，以創(chuàng)建多個出射光瞳。對各個源的圖像預處理用于使不同出射光瞳位置的視在圖像(apparent image)對準。

在另一個實施例中，使用HOE半反半透鏡中的角度復用在掃描反射鏡HWD中創(chuàng)建多個出射光瞳。多個掃描反射鏡用于在將光重新引導至多個出射光瞳的HOE處創(chuàng)建入射角的差異。對各個源的圖像預處理用于使不同出射光瞳位置的視在圖像對準。

在另一個實施例中，在不形成光瞳的HWD中創(chuàng)建多個連續(xù)的視場區(qū)域，這意味著實質(zhì)上在HOE半反半透鏡處對所投射的光進行準直。不形成光瞳的方案允許更容易地創(chuàng)建大的人眼窗口，但是其視場可能受到HOE半反半透鏡的限制。因此，HOE中的復用用于創(chuàng)建多個視場，以擴大總的合并視場。對各個源的圖像預處理用于使不同視場的視在圖像對準。

在另一個實施例中，掃描反射鏡HWD通過在共焦成像裝置中檢測來自眼睛的反射信號來采集視網(wǎng)膜和眼睛的其它部分的圖像。在一個實施例中，通過使檢測到的圖像與注視角度相關(guān)來將該返回信號用于眼睛跟蹤。在另一個實施例中，通過針對多個出射光瞳對返回信號強度進行檢測和比較來完成對眼睛位置的跟蹤，其中，返回信號的比較指示哪一出射光瞳與眼睛最佳對準。

在另一個實施例中，在掃描反射鏡HWD中將寬帶源劃分成多個離散的譜發(fā)射帶。之后，離散的譜帶中的每一個在眼睛處創(chuàng)建獨立的且空間分開的出射光瞳。

在本發(fā)明的另一個方法中，將窄帶漫射元件用作HWD半反半透鏡，并且將空間光調(diào)制器用作光投射元件，其中，在散射半反半透鏡之后使用空間光調(diào)制器對光的波前進行相位共軛，從而在眼睛處得到低像差圖像。

在另一個實施例中，本發(fā)明的HWD用作用于經(jīng)由眼睛測量生理參數(shù)來進行健康監(jiān)測的非侵入式方法。例如，通過定期對視網(wǎng)膜成像來監(jiān)測心率、葡萄糖水平、眼壓、壓力水平、疾病性質(zhì)或疾病的發(fā)作。

本發(fā)明適用于HWD的單目實施方式以及雙目實施方式二者。除非另行指出，否則描述將涵蓋單目布置向雙目布置的擴展，其需要復制光學設(shè)備并針對兩眼進行處理。

本發(fā)明不限于HWD。還可以將所描述的方法和裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)用于平視顯示器(HUD)，即被置于與眼睛相隔較大距離處的透視顯示系統(tǒng)。

因此，在第一方面中，本發(fā)明提供用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法，所述圖像是從便攜式頭戴顯示器投射的。該方法包括以下步驟：發(fā)射各光束的波長不同的多個光束；將多個光束引導至掃描反射鏡；根據(jù)由圖像提供的強度信息對多個光束中的每個光束的強度進行調(diào)制，借此使強度表示圖像內(nèi)的像素值；利用掃描反射鏡沿兩個不同的軸來掃描多個光束，以形成所述圖像；以及使用用作光束的反射器的全息光學元件將多個光束重新引導至眼睛，由此重新引導取決于光束的波長，從而在眼睛處針對每個光束創(chuàng)建與其它光束的出射光瞳空間分開的出射光瞳；

在另一個優(yōu)選實施例中，發(fā)射多個光束的步驟還包括：通過選擇要包含到人的視力所覺察的第一給定顏色內(nèi)的特定譜帶中的那些光束的對應(yīng)波長來創(chuàng)建由多個光束中的確定數(shù)量的光束構(gòu)成的第一捆，其中，第一捆中的光束中的每一個與其出射光瞳相關(guān)聯(lián)，出射光瞳與第一捆的其它光束的出射光瞳空間分開。

在另一個優(yōu)選實施例中，發(fā)射多個光束的步驟還包括：創(chuàng)建光束的第二捆和第三捆，每一捆對應(yīng)于分別處于人的視力所覺察的第二給定顏色和第三給定顏色內(nèi)的獨立的譜帶，其中，在第二和第三捆內(nèi)，光束分別與第一捆內(nèi)的光束的出射光瞳相關(guān)聯(lián)，由此針對出射光瞳中的每一個創(chuàng)建了對應(yīng)于第一、第二和第三給定顏色的用于全色圖像的三個光束。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法還包括：針對光束中的每一個向圖像施加圖像配準和失真校正，從而根據(jù)每個光束的出射光瞳的位置使由多個光束產(chǎn)生的顯示圖像對準。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法還包括：對由多個光束形成的出射光瞳進行空間布置，以形成使眼睛與便攜式頭戴顯示器對準以觀看圖像的擴大的區(qū)域。

在另一個優(yōu)選實施例中，將多個光束引導至掃描反射鏡的步驟還包括：在掃描反射鏡處在空間上和角度上對多個光束進行同軸合并，由此通過圖像處理對因獨立的出射光瞳的定位而在眼睛處產(chǎn)生的光束之間的顯著角度差進行校正。

在第二方面中，本發(fā)明提供用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法，所述圖像是從便攜式頭戴顯示器投射的。該方法包括以下步驟：發(fā)射各光束的波長不同的多個光束；根據(jù)由圖像提供的強度信息對多個光束中的每個光束進行強度調(diào)制，強度由此表示圖像內(nèi)的像素值；采用用作光束的反射器的光學元件將多個光束重新引導至眼睛，重新引導由此取決于光束的波長，從而在眼睛處針對每個光束創(chuàng)建出射光瞳。

在另一個優(yōu)選實施例中，發(fā)射多個光束的步驟還包括：通過選擇要包含到人的視力所覺察的第一給定顏色內(nèi)的特定譜帶中的那些光束的對應(yīng)波長來創(chuàng)建由多個光束中的確定數(shù)量的光束構(gòu)成的第一捆，其中，第一捆中的光束中的每一個與其出射光瞳相關(guān)聯(lián)，出射光瞳與第一捆的其它光束的出射光瞳是空間分開的。

在另一個優(yōu)選實施例中，發(fā)射多個光束的步驟還包括：創(chuàng)建光束的第二和第三捆，每捆對應(yīng)于分別處于人的視力所覺察的第二給定顏色和第三給定顏色內(nèi)的獨立的譜帶，其中，在第二和第三捆內(nèi)，光束分別與第一捆的光束的出射光瞳相關(guān)聯(lián)，由此針對出射光瞳中的每一個創(chuàng)建了對應(yīng)于第一、第二和第三給定顏色的用于全色圖像的三個光束。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法還包括：針對光束中的每一個對圖像進行圖像配準和失真校正，從而根據(jù)每個光束的出射光瞳的位置對多個光束所產(chǎn)生的顯示圖像進行對準。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法還包括：對由多個光束形成的出射光瞳進行空間布置，以形成使眼睛與便攜式頭戴顯示器對準以觀看圖像的擴大的區(qū)域。

在另一個優(yōu)選實施例中，在對多個光束進行重新引導的步驟中，光學元件是全息光學元件。

在本發(fā)明的第三方面中，本發(fā)明提供了產(chǎn)生用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法中的光學元件的方法，所述方法包括：利用與多個光束的波長密切匹配的多個全息圖寫入激光器來記錄全息光學元件，并由此在全息圖記錄機構(gòu)中對寫入激光器中的每一個的光束進行空間布置，以匹配接下來將由便攜式頭戴顯示器創(chuàng)建的出射光瞳的空間取向。

在另一個優(yōu)選實施例中，利用光纖對寫入激光器中的每一個的光束進行空間布置。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法還包括：對應(yīng)于在給定時刻眼睛的位置來使多個光束中的與出射光瞳中的每一個相關(guān)聯(lián)的選定的光束無效，眼睛跟蹤信息由此用于使失配的出射光瞳無效，以降低裝置功耗。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法還包括：對由多個光束形成的出射光瞳進行空間布置，每個獨立的光束由此形成多個空間分開的出射光瞳，從而創(chuàng)建不能被眼睛同時看到的多個感興趣區(qū)，每個感興趣區(qū)具有較大的總視場內(nèi)的子集視場以及相關(guān)聯(lián)的多個出射光瞳。

在另一個優(yōu)選實施例中，對多個光束中的每個光束的強度進行調(diào)制的步驟包括從面板微型顯示器進行投射。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法還包括：將多個光束引導至掃描反射鏡；以及利用掃描反射鏡沿兩個不同的軸對多個光束進行掃描，以形成圖像。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法還包括：在空間上和角度上對多個光束進行同軸合并，由此通過圖像處理對因獨立的出射光瞳的定位而在眼睛處產(chǎn)生的光束之間的顯著角度差進行校正。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法還包括：使在光束之間具有角度差的多個光束合并，使得出射光瞳處的光束的其中之一的角度含量(angular content)與光束中的任何其它光束的角度含量大體上相似，由此降低對圖像處理的要求，繼而通過圖像處理對因獨立的出射光瞳的定位而在在眼睛處產(chǎn)生的光束之間的剩余角度差進行校正。

在另一個優(yōu)選實施例中，利用在遠心透鏡的出射光瞳處對光束進行合并的遠心透鏡來將在光束之間存在角度差的多個光束合并，由此對發(fā)射在各光束之間波長不同的光束的多個光源的二維布置進行準直和合并。

在另一個優(yōu)選實施例中，通過用于光束的另一遠心透鏡、衍射光學元件和孔隙的組合來對發(fā)射在各光束之間波長不同的光束的多個光源進行空間和光譜濾波。

在另一個優(yōu)選實施例中，衍射光學元件是以下元件的其中之一：衍射光柵、體積全息元件。

在第四方面中，本發(fā)明提供了用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法，圖像是從便攜式頭戴顯示器投射的。該方法包括以下步驟：發(fā)射多個光束；將多個光束中的每一個引導至對應(yīng)的空間分開的掃描反射鏡；根據(jù)由圖像提供的強度信息對多個光束中的每個光束進行強度調(diào)制，強度由此表示圖像內(nèi)的像素值；利用多個空間分開的掃描反射鏡中的對應(yīng)的掃描反射鏡沿兩個不同的軸對多個光束中的每個光束進行掃描，以形成圖像；以及使用用作光束的反射器的光學元件將多個光束重新引導至眼睛，重新引導由此取決于光束在光學元件上的入射角，從而針對每個光束在眼睛處創(chuàng)建與其它光束的出射光瞳空間分開的出射光瞳。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法還包括：針對光束中的每一個對圖像實施圖像配準和失真校正，從而根據(jù)每個光束的出射光瞳的位置對由多個光束產(chǎn)生的顯示圖像進行對準。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法還包括：對由多個光束形成的出射光瞳進行空間布置，以形成使眼睛與便攜式頭戴顯示器對準以觀看圖像的擴大的區(qū)域。

在另一個優(yōu)選實施例中，發(fā)射多個光束的步驟還包括：將具有獨立的可見波長的三個光束引導至每個掃描反射鏡并使其合并，以形成出射光瞳的其中之一，由此為出射光瞳則的每一個創(chuàng)建用于全色圖像的三個光束。

在另一個優(yōu)選實施例中，在對多個光束進行重新引導的步驟中，光學元件是全息光學元件。

在第五方面中，本發(fā)明提供了產(chǎn)生用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法中的光學元件的方法。所述方法還包括：利用與多個光束的波長密切匹配的多個全息圖寫入激光器來記錄全息光學元件，并且由此在全息圖記錄機構(gòu)中對寫入激光器中的每一個的光束進行空間布置，以匹配接下來由便攜式頭戴顯示器創(chuàng)建的出射光瞳和投影源點的空間和角度取向。

在另一個優(yōu)選實施例中，利用光纖對寫入激光器中的每一個的光束進行空間布置。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法還包括：對應(yīng)于在給定時刻的眼睛的位置使多個光束中的與出射光瞳中的每一個相關(guān)聯(lián)的選定的光束失效，眼睛跟蹤信息由此用于使失配的出射光瞳失效，以降低裝置功耗。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法還包括：對由多個光束形成的出射光瞳進行布置，每個獨立的光束由此形成多個空間分開的出射光瞳，以創(chuàng)建不能由眼睛同時觀看的多個感興趣區(qū)，每個感興趣區(qū)具有較大的總視場內(nèi)的子集視場和相關(guān)聯(lián)的多個出射光瞳。

在第六方面中，本發(fā)明提供用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法，圖像是從便攜式頭戴顯示器投射的。該方法包括以下步驟：發(fā)射多個光束；根據(jù)由圖像提供的強度信息對多個光束中的每一個進行強度調(diào)制，強度由此表示圖像內(nèi)的像素值；使用用作光束的反射器的光學元件將多個大體上準直的光束重新引導至眼睛而不創(chuàng)建光學出射光瞳，重新引導由此取決于光束的入射角和波長，從而創(chuàng)建多個子集視場，這些視場的總體在眼睛處構(gòu)成總視場。

在另一個優(yōu)選實施例中，在對多個光束進行重新引導的步驟中，光學元件是全息光學元件。

在第七優(yōu)選實施例中，本發(fā)明提供了產(chǎn)生用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法中的光學元件的方法，所述方法還包括：利用與多個光束的波長密切匹配的多個全息圖寫入激光器來記錄全息光學元件，并且由此在全息圖記錄機構(gòu)中對寫入激光器中的每一個的光束進行空間布置，以匹配接下來由便攜式頭戴顯示器創(chuàng)建的子集視場的空間和角度取向。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法還包括：針對光束中的每一個對圖像實施圖像配準和失真校正，從而使子集視場的圖像對準，以采用連續(xù)方式整體形成總視場。

在另一個優(yōu)選實施例中，在發(fā)射多個光束的步驟中，將每個子集視場的具有獨立的可見波長的三個光束合并，由此為子集視場中的每一個創(chuàng)建用于全色圖像的三個光束。

在第八方面中，本發(fā)明提供用于通過從便攜式頭戴顯示器投射并采集圖像來從眼睛獲得生理信息的方法。該方法包括以下步驟：發(fā)射各光束之間的波長不同的多個光束；通過透鏡將多個光束聚焦到針孔孔隙上；將多個光束從針孔孔隙引導至掃描反射鏡；根據(jù)由圖像提供的強度信息對多個光束中的每一個進行強度調(diào)制，強度由此表示圖像內(nèi)的像素值；利用掃描反射鏡沿兩個不同的軸對多個光束進行掃描，以形成所述圖像；使用眼鏡片上的用作光束的反射器的光學元件將多個光束重新引導至眼睛，重新引導由此取決于光束的波長和角度，從而在眼睛處為每個光束創(chuàng)建與其它光束的出射光瞳空間分開的出射光瞳；將重新引導的多個光束聚焦到眼睛的表面上；通過系統(tǒng)將經(jīng)聚焦的多個光束從眼鏡的所述表面反射到針孔孔隙；以及使經(jīng)反射的多個光束通過光束分裂元件被引導至探測器，強度由此表示多個光束聚焦的眼睛表面處的共焦圖像。

在另一個優(yōu)選實施例中，通過用于將光傳輸至不同位置的光纖來代替針孔孔隙。

在另一個優(yōu)選實施例中，經(jīng)由從眼睛表面的散射來將與多個光束相同的波長處的光反射回來。

在另一個優(yōu)選實施例中，經(jīng)由眼睛表面的熒光作用來將與多個光束相比發(fā)生了偏移的波長處的光反射回來。

在另一個優(yōu)選實施例中，經(jīng)由眼睛表面的拉曼散射來將與多個光束相比發(fā)生了偏移的波長處的光反射回來。

在另一個優(yōu)選實施例中，經(jīng)由眼睛表面處的非線性現(xiàn)象來將與多個光束相比發(fā)生了偏移的波長處的光反射回來。

在另一個優(yōu)選實施例中，光學元件是體積全息光學元件。

在第九方面中，本發(fā)明提供用于通過從便攜式頭戴顯示器投射并采集圖像來從眼睛獲得生理信息的方法。該方法包括以下步驟：發(fā)射各光束之間的波長不同的多個光束；通過透鏡將多個光束聚焦到多模雙包層光纖的單模芯上；將多個光束從多模雙包層光纖引導至掃描反射鏡；根據(jù)由圖像提供的強度信息對多個光束中的每一個進行強度調(diào)制，強度由此表示圖像內(nèi)的像素值；使用掃描反射鏡沿兩個不同的軸對多個光束進行掃描，以形成圖像；使用眼鏡片上的用作光束的反射器的光學元件將多個光束重新引導至眼睛，重新引導由此取決于光束的波長和角度，從而在眼睛處為每個光束創(chuàng)建與其它光束的出射光瞳空間分開的出射光瞳；將重新引導的多個光束聚焦到眼睛的表面上；通過系統(tǒng)將多個光束從眼睛的所述表面反射回到多模雙包層光纖的多模芯；以及將經(jīng)反射的多個光束通過光束分裂元件引導至探測器，強度由此表示多個光束聚焦的眼睛表面處的共焦圖像。

在另一個優(yōu)選實施例中，經(jīng)由眼睛表面的散射將與多個光束相同的波長處的光反射回來。

在另一個優(yōu)選實施例中，經(jīng)由眼睛表面的熒光作用來將與多個光束相比發(fā)生了偏移的波長處的光反射回來。

在另一個優(yōu)選實施例中，經(jīng)由眼睛表面的拉曼散射來將與多個光束相比發(fā)生了偏移的波長處的光反射回來。

在另一個優(yōu)選實施例中，經(jīng)由眼睛表面處的非線性現(xiàn)象來將與多個光束相比發(fā)生了偏移的波長處的光反射回來。

在另一個優(yōu)選實施例中，光學元件是以下元件的其中之一：相息圖(kinoform)衍射光學元件、具有頻率選擇響應(yīng)的彎曲反射元件。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于從眼睛獲得生理信息的方法還包括：將多個光束聚焦到眼睛的不同深度，光束的波長由此確定對眼睛的哪些結(jié)構(gòu)成像。

在另一個優(yōu)選實施例中，不可見的紅外光用于共焦測量，以便避免干擾頭戴顯示器的可見功能。

在另一個優(yōu)選實施例中，在探測器處通過濾波器將光束分開，濾波器可以是下述列表中的任一個：干涉型濾波器、分色濾波器、全息濾波器。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于從眼睛獲得生理信息的方法還包括：采集眼睛的多個特定注視圖像(gaze specific image)，以實現(xiàn)眼睛跟蹤校準；對眼睛的多個特定注視圖像進行處理，以進行特征提??；形成使注視位置與所提取的特征相關(guān)的數(shù)據(jù)庫；采集眼睛的新的特定注視圖像，以進行注視確定；使該圖像的特征與數(shù)據(jù)庫中的圖像相關(guān)；以及通過與特定注視角相關(guān)來對圖像進行分類，從而進行實時的眼睛跟蹤。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于從眼睛獲得生理信息的方法還包括：從在眼睛處構(gòu)成多個出射光瞳的多個光束采集反射強度，眼睛的注視位置由此與在眼睛處構(gòu)成空間分開的出射光瞳的多個光束的相對強度相關(guān)。

在第十方面中，本發(fā)明提供用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法，所述圖像是從便攜式頭戴顯示器投射的。該方法包括以下步驟：發(fā)射至少一個寬譜光束；將至少一個光束的譜切分成多個離散的譜發(fā)射帶，每個譜發(fā)射帶通過沒有光的譜區(qū)分開；將多個光束引導至掃描反射鏡；根據(jù)由圖像提供的強度信息對至少一個光束中的每一個進行強度調(diào)制，強度由此表示圖像內(nèi)的像素值；利用掃描反射鏡沿兩個不同的軸對至少一個光束進行掃描，以形成圖像；以及使用用作光束的反射器的全息光學元件將至少一個光束重新引導至眼睛，重新引導由此取決于光束的波長含量和角度，從而針對離散譜發(fā)射帶中的每一個在眼睛處創(chuàng)建與其它離散譜發(fā)射帶的出射光瞳空間分開的出射光瞳。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法還包括：通過色散光學元件在掃描反射鏡之后使至少一個光束偏轉(zhuǎn)，色散光學元件由此將至少一個光束按角度分成對應(yīng)于離散譜發(fā)射帶的數(shù)量的多個光束。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法還包括：發(fā)射具有處于紅色范圍、綠色范圍和藍色范圍內(nèi)的分開的譜帶的三個光束，使得來自每個顏色范圍的一個光束的組合創(chuàng)建所感知的色調(diào)，并且色調(diào)取決于三個合并光束的相對強度。

在另一個優(yōu)選實施例中，用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法還包括：對由多個光束形成的多個出射光瞳進行空間布置，以形成眼睛能夠與光學系統(tǒng)對準以觀看所顯示的圖像的擴大的區(qū)域。

在第十一方面中，本發(fā)明提供用于顯示眼睛可觀看的圖像的方法，所述圖像是從便攜式頭戴顯示器投射的。該方法包括以下步驟：從相干源發(fā)射至少一個光束；將至少一個光束引導至具有提供第一波前的相位圖的空間光調(diào)制器；使用眼鏡片上的漫散射反射器來將至少一個光束重新引導至眼睛，第一波前由此受到漫散射反射器的反射，以提供進入眼睛的第二波前并且在視網(wǎng)膜上形成低像差圖像。

在另一個優(yōu)選實施例中，相干光源是表面發(fā)射激光器(VCSEL)、點光源LED或激光二極管。

在另一個優(yōu)選實施例中，眼鏡片由第一和第二透明的光學聯(lián)結(jié)的元件構(gòu)成，其中，第一元件具有第一折射率，其具有散射可見光的一面和光滑、不發(fā)生散射、并且上面沉積有反射涂層的第二面，第二元件具有與第一折射率相等的第二折射率，并且具有光滑并且不發(fā)生散射的面。

在另一個優(yōu)選實施例中，空間光調(diào)制器是僅相位調(diào)制器、僅幅度調(diào)制器或者二者。

在第十二方面中，本發(fā)明提供了用于通過投射并采集眼睛可觀看的圖像來從眼睛獲得生理信息的方法，所述圖像是從便攜式頭戴顯示器投射的，所述方法包括以下步驟：從相干源發(fā)射至少一個光束；將至少一個光束引導至具有提供第一波前的相位圖的空間光調(diào)制器；使用眼鏡片上的漫散射反射器將至少一個光束重新引導至眼睛，第一波前由此受到漫散射反射器的反射，從而提供進入眼睛的第二波前并在眼睛表面上形成低像差斑點。通過向SLM提供適當?shù)南辔粓D而對視網(wǎng)膜上的斑點進行掃描；以及按照共焦方式恢復由視網(wǎng)膜漫反射的光，以形成所述表面的圖像。

在另一個優(yōu)選實施例中，所述表面是視網(wǎng)膜。

在第十三方面中，本發(fā)明提供了用于顯示眼睛可觀看的圖像的系統(tǒng)，所述圖像是從便攜式頭戴顯示器投射的。系統(tǒng)包括：用于實施顯示眼睛可觀看的圖像的方法的多出射光瞳頭戴顯示系統(tǒng)；以及采集場景并向頭戴顯示器提供場景的經(jīng)處理的圖像的安裝在前面的照相機。

在另一個優(yōu)選實施例中，經(jīng)處理的圖像可以是以下中的任一個：(a)縮放圖像，(b)邊緣增強圖像，(c)對比度增強圖像，(d)失真圖像，或者(a)到(d)的組合。

在另一個優(yōu)選實施例中，眼睛在中央凹窩中具有光受體損失，例如，患有與年齡有關(guān)的黃斑變性的眼睛。

在另一個優(yōu)選實施例中，在圍繞眼睛的中央凹窩的外圍區(qū)中顯示經(jīng)處理的圖像。

在另一個優(yōu)選實施例中，眼睛在圍繞中央凹窩的外圍區(qū)中具有光受體損失。

在另一個優(yōu)選實施例中，在中央凹窩中顯示經(jīng)處理的圖像。

在第十四方面中，本發(fā)明提供了用于將便攜式頭戴顯示器投射的圖像重新引導至眼睛的裝置。該裝置包括：在透明熱聚合物基質(zhì)中的嵌入的小相息圖反射鏡，以將至少一個入射光束局部重新引導至眼睛；以及相息圖反射鏡上的薄膜反射涂層，其具有光譜和角度選擇性，從而允許來自投影儀的至少一個光束在眼睛處分成多個出射光瞳，同時允許來自外界的大量環(huán)境光通過該圖層抵達眼睛。

在第十五方面中，本發(fā)明提供了用于向雙眼顯示雙目圖像的系統(tǒng)，所述圖像是從兩個便攜式頭戴顯示器投射的。該系統(tǒng)包括：處于一副眼鏡的每一側(cè)上的多個出射光瞳投影模塊；處于兩個眼鏡片上的多個出射光瞳全息反射器；基于從眼睛反射的光的用于雙眼的眼睛跟蹤系統(tǒng)；采集用戶前面的場景的前向照相機；以及通過以來自眼睛跟蹤系統(tǒng)的信息為基礎(chǔ)對雙目圖像做出改變而生成的三維圖像。

在第十六方面中，本發(fā)明提供了用于在多出射光瞳頭戴顯示器中的投影儀與眼鏡片全息光學元件之間創(chuàng)建并保持對準的方法。該方法包括以下步驟：在剛性材料連接部上使投影儀與全息光學元件對準，所述剛性材料連接部在結(jié)構(gòu)上保持光學元件之間的位置和角度；以及將剛性結(jié)構(gòu)附接并定位在一副常規(guī)眼鏡上。

在另一個優(yōu)選實施例中，常規(guī)眼鏡是非驗光眼鏡或太陽鏡，或者是驗光眼鏡或太陽鏡。

在另一個優(yōu)選實施例中，將剛性材料連接部放置并附接在常規(guī)眼鏡的內(nèi)側(cè)或外側(cè)上。

將在下文的具體實施方式中結(jié)合附圖來進一步解釋本發(fā)明的這些及其它方面。

附圖說明

圖0.1是示出了現(xiàn)有技術(shù)裝置的圖示；

圖1A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的硬布線單目頭戴顯示器的圖；

圖1B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的無線單目頭戴顯示器的圖；

圖2A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的利用單出射光瞳來對準至眼睛的掃描視網(wǎng)膜顯示器的光學示意圖；

圖2B是圖2A的光學示意圖，其中，眼睛發(fā)生了旋轉(zhuǎn)并且未與單出射光瞳對準；

圖3A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的利用通過波長復用形成的兩個出射光瞳的其中之一來對準至眼睛的掃描視網(wǎng)膜顯示器的光學示意圖；

圖3B是圖3A的光學示意圖，其中，眼睛發(fā)生了旋轉(zhuǎn)并且與通過波長復用形成的兩個出射光瞳中的另一個對準；

圖4A是對與兩個出射光瞳相關(guān)的兩個圖像分量之間的偏移進行了預處理的投影圖像的圖示；

圖4B是將投射在半反半透鏡上的針對兩個不同出射光瞳的兩個相同像素在視網(wǎng)膜上合并成一個單像素的掃描視網(wǎng)膜顯示器的光學示意圖；

圖4C是根據(jù)本發(fā)明的實施例的在利用圖4A所示的圖像預處理來對準圖像的情況下在視網(wǎng)膜上同時感知的來自兩個出射光瞳的圖像的圖示；

圖4D是擴大的人眼窗口和圖像預處理的演示，其中，利用與模仿義眼的聚焦透鏡結(jié)合的旋轉(zhuǎn)照相機來獲取圖片；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有兩個出射光瞳的掃描視網(wǎng)膜顯示器的光學示意圖以及出射光瞳布置與人眼窗口疊加的相關(guān)聯(lián)的圖示；

圖6是根據(jù)本發(fā)明的三個不同實施例的出射光瞳布置與人眼窗口疊加的三個示例的圖示；

圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施例的體積全息元件的波長選擇性的圖示；

圖8是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用三個不同中心波長的針對三個出射光瞳的同時全息圖寫入機構(gòu)的光學示意圖；

圖9A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用衍射元件的同軸光譜合束器的光學示意圖；

圖9B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用二向色分束器的同軸光譜合束器的光學示意圖；

圖9C是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用體積全息元件的同軸光譜合束器的光學示意圖；

圖9D是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用體積全息元件和外腔的同軸光譜合束器的光學示意圖；

圖10是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于由兩個不同波長的源形成兩個出射光瞳的使用光束的角度間隔的護目鏡框架上的掃描視網(wǎng)膜顯示器的光學示意圖；

圖11是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用非同軸合并的光束的掃描投影模塊的光學示意圖；

圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的四個不同實施例的用于形成空間分開的出射光瞳和非同軸合并的光束的不同波長的光源布置的四個示例；

圖13A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于形成空間分開的出射光瞳和非同軸合并的光束的在三個位置中的每個位置處具有紅色、綠色和藍色發(fā)射器的光源的圖示；

圖13B是在眼睛處的未經(jīng)處理(左側(cè))的和經(jīng)過使圖像對準的預處理(右側(cè))的來自圖13A的光源的視在圖像的圖示；

圖14是根據(jù)本發(fā)明的實施例的利用來自紅色、綠色和藍色光源的非同軸合并光束的掃描投影模塊的光學示意圖；

圖15是根據(jù)本發(fā)明的實施例的在反射中具有額外的空間和光譜濾波的利用非同軸合并光束的掃描投影模塊的光學示意圖；

圖16是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用圖15的投影模塊的單目掃描光束頭戴顯示器的圖；

圖17是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用圖15的投影模塊的雙目掃描光束頭戴顯示器的圖；

圖18是根據(jù)本發(fā)明的實施例的在透射中具有額外的空間和光譜濾波的利用非同軸合并光束的掃描投影模塊的光學示意圖；

圖19是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用全息濾波元件的利用非同軸合并光束的掃描投影模塊的光學示意圖；

圖20是根據(jù)本發(fā)明的實施例的利用通過波長復用形成的三個出射光瞳的其中之一而對準至眼睛的基于微面板顯示器的投影的頭戴顯示器的光學示意圖；

圖21A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使眼睛與兩個獨立的出射光瞳的其中之一對準的掃描視網(wǎng)膜顯示器的光學示意圖，所述兩個獨立的出射光瞳具有利用單個波長創(chuàng)建的獨立的視場；

圖21B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使眼睛與兩個獨立的出射光瞳中的另一個對準的掃描視網(wǎng)膜顯示器的光學示意圖，所述兩個獨立的出射光瞳具有利用單個波長創(chuàng)建的獨立的視場。

圖21C是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使眼睛與兩個獨立的出射光瞳的其中之一對準的掃描視網(wǎng)膜顯示器的光學示意圖，所述兩個獨立的出射光瞳具有利用兩個波長創(chuàng)建的略微重疊的視場；

圖21D是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使眼睛與兩個獨立的出射光瞳的其中之一對準的掃描視網(wǎng)膜顯示器的光學示意圖，所述兩個獨立的出射光瞳具有利用兩個波長創(chuàng)建的顯著重疊的視場；

圖21E是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使眼睛與兩個獨立的出射光瞳的其中之一對準的掃描視網(wǎng)膜顯示器的光學示意圖，所述兩個獨立的出射光瞳具有利用兩個角度分開的源創(chuàng)建的獨立的視場。

圖21F是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使眼睛與兩個獨立的出射光瞳的其中之一對準的掃描視網(wǎng)膜顯示器的光學示意圖，所述兩個獨立的出射光瞳具有利用在角度上被分離和分開的單個源創(chuàng)建的獨立的視場；

圖22A是具有兩個掃描反射鏡以創(chuàng)建兩個獨立的出射光瞳的掃描視網(wǎng)膜顯示器的俯視光學示意圖；

圖22B是具有兩個掃描反射鏡以創(chuàng)建兩個獨立的出射光瞳的掃描視網(wǎng)膜顯示器的側(cè)視光學示意圖；

圖23是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用具有一個中心波長的角度復用的針對三個出射光瞳的同時全息圖寫入機構(gòu)的光學示意圖；

圖24A是用于使用角度復用為不形成光瞳的頭戴顯示器創(chuàng)建三個分立的視場的同時全息圖寫入方法的光學示意圖；

圖24B是不形成光瞳的頭戴顯示器的兩個角度復用全息圖的衍射效率和衍射角度的圖示；

圖25是用于使用波長復用為不形成光瞳的頭戴顯示器創(chuàng)建三個分立的視場的同時全息圖寫入方法的光學示意圖；

圖26是根據(jù)本發(fā)明的實施例的掃描投影單目頭戴顯示器的圖；

圖27是根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括視網(wǎng)膜的共焦成像的掃描投影頭戴顯示器的光學示意圖；

圖28是根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括任意眼睛表面的共焦成像的掃描投影頭戴顯示器的光學示意圖；

圖29是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用利用衍射光柵分開的附加波長的包括眼睛的共焦成像的掃描投影頭戴顯示器的光學示意圖；

圖30是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用利用二向色分束器分開的附加波長的包括眼睛的共焦成像的掃描頭戴顯示器的光學示意圖；

圖31是來自檢眼鏡的視網(wǎng)膜圖像；

圖32是針對三個不同注視方向的單個視網(wǎng)膜的三個圖像的組；

圖33是根據(jù)本發(fā)明的實施例的眼睛跟蹤方法的方框圖；

圖34是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用來自不同出射光瞳的相對共焦強度的眼睛跟蹤方法的圖示；

圖35是根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括照相機的掃描投影單目頭戴顯示器的圖；

圖36是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于顯示從頭戴顯示器上的照相機收集到的數(shù)據(jù)的方法的圖示；

圖37是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用透明材料中的嵌入的窄帶相息圖反射鏡的半反半透鏡的光學示意圖；

圖38是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用分離的光譜源和全息半反半透鏡中的波長復用以創(chuàng)建多個出射光瞳的掃描投影頭戴顯示器的光學示意圖；

圖39是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用分離的光譜源、衍射光柵和全息半反半透鏡中的波長復用以創(chuàng)建多個出射光瞳的掃描投影頭戴顯示器的光學示意圖；

圖40是根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括照相機的掃描投影雙目頭戴顯示器的圖；

圖41是根據(jù)本發(fā)明的實施例的附接至剛性護目鏡框架的內(nèi)側(cè)的掃描投影雙目頭戴顯示器的圖；

圖42是根據(jù)本發(fā)明的實施例的附接至剛性護目鏡框架的外側(cè)的掃描投影雙目頭戴顯示器的圖；以及

圖43是根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括利用雙包層光纖的視網(wǎng)膜的共焦成像的掃描投影頭戴顯示器的光學示意圖。

具體實施方式

本說明書中描述的技術(shù)、設(shè)備、材料和系統(tǒng)可以用于實施基于掃描投影儀和全息半反半透鏡的HWD，并且還能夠應(yīng)用于平視顯示器(HUD)，即被放置在與眼睛相隔較大距離處的透視顯示系統(tǒng)。

在本發(fā)明的至少一個實施例中，頭戴顯示器使用掃描反射鏡投影儀直接在用戶的視網(wǎng)膜上創(chuàng)建掃描圖像。使用半反半透鏡元件將掃描反射鏡的出射光瞳置于眼睛的入射光瞳處，所述半反半透鏡元件可以是但不限于全息光學元件(HOE)。除了將顯示器光朝向眼睛反射之外，半反半透鏡還起著將來自外界的光有效率地透射至眼睛的作用，從而允許將顯示添加到自然視覺上。這經(jīng)常被稱為“增強現(xiàn)實”，或有時被稱為“混合現(xiàn)實”。此外，所描述的發(fā)明允許通過使HOE倍增以創(chuàng)建多個出射光瞳來有效地擴展人眼窗口，這些出射光瞳被布置為模仿擴大的人眼窗口。

圖1A和圖1B示出了本發(fā)明的兩種可能的實施例。圖1A是示出了與掃描顯示器集成的簡單輕便的護目鏡的本發(fā)明的可能的實施例的圖。一層全息材料被涂覆到眼鏡101的鏡片的其中之一上。在至少一個實施例中，HOE可以是涂覆在鏡片上并且接下來被全息記錄的光聚合物，或者在另一個實施例中，可以將光聚合物嵌入到(即，夾在)眼鏡片的兩個表面之間。于是，全息材料用來將顯示器光重新引導到眼睛中，同時透射來自外界的光。在護目鏡的接近用戶太陽穴的一個臂中，掃描反射鏡或面板微顯示器投影儀102將圖像投影到全息半反半透鏡101上。在一個實施例中，在通過接插線104連接至護目鏡的小盒子103中將光源、功率電子設(shè)備和驅(qū)動器電子設(shè)備單獨地或者一起從頭部移開，可以通過可移除連接器105在眼鏡處將接插線104拆下。將這些部件從頭部移開的優(yōu)點在于使護目鏡簡單、輕便、分立，在美觀上有吸引力并且在社會上可接受。此外，護目鏡能夠與獨立的模塊斷開連接，從而允許用戶向他人表明個人顯示裝置是否正在工作。這一點在社會背景下是有吸引力的特征，考慮到消費者頭戴顯示器可能還包括聲音和視頻記錄裝置，而這些裝置可能與個人隱私和社會交往發(fā)生沖突。替代地，在部件緊密集成的其它實施例中，可以將光源、功率部件和驅(qū)動器部件全部置于護目鏡內(nèi)。圖1B是另一可能的實施例的圖，其中，光源、功率電子設(shè)備和驅(qū)動器電子設(shè)備完全包含在護目鏡106內(nèi)。此外，在其它實施例中，可以在兩個眼鏡片上使用兩組投影儀和HOE來按照雙目形式將光投射到兩只眼睛上。

在至少一個實施例中，如圖2A所示，光行進通過光學系統(tǒng)。圖2A是針對掃描反射鏡212的單個出射光瞳的基于掃描投影的頭戴顯示器的光學布置的示意圖。具有至少一個波長的光206入射到掃描反射鏡205上，掃描反射鏡205掃描有角度的光束207，光束207具有被調(diào)制為對應(yīng)于數(shù)字圖像的強度。在至少一個實施例中包括夾在兩個外部保護層202與203之間的經(jīng)過記錄的全息材料201的全息半反半透鏡204將投射的光207反射成衍射光208，衍射光朝向向前注視的眼睛209的眼睛入射光瞳210的中心。這里，視線211的視平線與掃描反射鏡212的出射光瞳的中心對準。該布置的限制在于眼睛的旋轉(zhuǎn)容限。圖2B顯示眼睛能夠轉(zhuǎn)動出單個出射光瞳的視野。像這樣，單個出射光瞳布置適用于小視場顯示器，其中，用戶對準其眼睛以看到所顯示的圖像。在圖2B中，視線211的視平線與單個出射光瞳212沒有對準。全息半反半透鏡204將投射的光朝向向前注視的眼睛的入射光瞳的中心反射，但是眼睛的入射光瞳210與出射光瞳212之間的不匹配使圖像不能被看到。

在本發(fā)明的至少一個實施例中，多個出射光瞳有效地擴展系統(tǒng)的人眼窗口。圖3A和圖3B示出了多個出射光瞳布置的示例，其中，在接近眼睛的兩個空間分開的位置上創(chuàng)建了兩個出射光瞳。在圖3A和圖3B中，為簡單起見示出了兩個出射光瞳，但是可以在二維布置中使用附加的出射光瞳。多個出射光瞳可以用于為眼睛創(chuàng)建更大的有效人眼窗口，并且還允許眼睛掃描大FOV圖像。在至少一個實施例中，利用不同波長的光對全息元件進行復用創(chuàng)建了多個出射光瞳。體積全息元件表現(xiàn)出“選擇性”，這意味著針對一個光波長和入射角度所寫入的全息圖獨立于針對完全不同的波長或入射角度所寫入的另一全息圖。通過這種方式，能夠使用具有不同中心波長或入射角度的源來產(chǎn)生不存在串擾的多個獨立的出射光瞳，因此產(chǎn)生擴大的有效人眼窗口。此外，能夠利用就人的感知而言具有相似顏色的分開的波長來創(chuàng)建多個出射光瞳。例如，可以使用中心波長足夠不同的幾個不同的紅色光源來創(chuàng)建幾個出射光瞳位置。所需的分開取決于HOE的用于避免串擾的光譜選擇性。圖3A是沿縱軸的兩個出射光瞳212和304的光學布置的示意圖，兩個出射光瞳是由具有不同波長的兩個光束206和301的全息復用創(chuàng)建的。這些光束受到掃描反射鏡205的反射，掃描反射鏡205掃描具有被調(diào)制為對應(yīng)于數(shù)字圖像的強度的有角度的光束207和302。全息半反半透鏡204將投射的光207和302反射成衍射光208和303，所述衍射光朝向眼睛平面處的兩個出射光瞳位置212和304，從而為眼睛旋轉(zhuǎn)提供了容限。這里，視線的視平線211與中央出射光瞳212的中心對準。圖3B是沿縱軸的兩個出射光瞳的光學布置的示意圖，其中，視線的視平線211發(fā)生旋轉(zhuǎn)，但是仍然采集來自出射光瞳的其中之一304的光。

在利用本發(fā)明中描述的全息方法創(chuàng)建多個出射光瞳時，對于與不同出射光瞳的光的不同角度含量對應(yīng)的不同波長，來自掃描反射鏡的特定位置(等價于圖像的像素)的光將出現(xiàn)在視網(wǎng)膜上的不同位置。在圖4所示的至少一個實施例中，通過對針對與每一個體出射光瞳對應(yīng)的每個波長投射的圖像進行預處理來對該差異加以校正。在對各個光源進行獨立控制時，掃描反射鏡的每個位置能夠針對與出射光瞳的偏移位置對應(yīng)的不同波長的源投射獨立的像素數(shù)據(jù)。如圖4A所示，用于橫向偏移的出射光瞳的所需圖像處理主要是不同波長的源中的每一個的投射圖像之間的相對圖像偏移。還可以應(yīng)用附加的幾何校正，以例如對失真進行校正。在進行了適當調(diào)整之后，來自不同波長和不同出射光瞳位置的圖像將重合，從而在視網(wǎng)膜上形成單個圖像。圖4是使不同出射光瞳的圖像在視網(wǎng)膜上對準所需的偏移預處理和圖像配準的圖示。在本示例中，圖4A示出了來自垂直布置的兩個不同出射光瞳的兩個圖像401和402。通過如圖4A所示投射相互偏移的圖像401和402，在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生了單個視在圖像403，如圖4C所示。觀察圖4B，對于每個出射光瞳，像素404和405滿足同一圖像像素的信息。通過以與兩個對應(yīng)的出射光瞳的分開距離相似的分開距離將像素404和405投射到半反半透鏡上，使像素404和405在視網(wǎng)膜上合并成一個單個像素406。實際系統(tǒng)可以具有跨越2個維度的附加偏移。實際系統(tǒng)還可以得益于對圖像的進一步預處理，以校正諸如失真等非線性，從而改善圖像的對準。圖4D示出了對擴大的人眼窗口和圖像預處理的演示。將具有對應(yīng)于單個出射光瞳的單個波長分量的圖像407投射到半反半透鏡上，半反半透鏡反過來將圖像反射回到與模仿義眼的聚焦透鏡結(jié)合的攝像機中。圖片408是利用與單個出射光瞳對準的照相機拍攝的，而圖片409是利用與單個出射光瞳部分未對準的照相機拍攝的，并且圖片410是利用與單個出射光瞳進一步未對準的照相機拍攝的。圖片408、409和410表明，由于照相機與單個出射光瞳未對準，所投射的圖像消失。將具有對應(yīng)于另一出射光瞳的與圖像407不同的波長分量的圖像411與圖像407一起投射到半反半透鏡上，半反半透鏡反過來將圖像反射回到與模仿義眼的聚焦透鏡結(jié)合的照相機中，其中，所述另一出射光瞳與從圖像407獲得的出射光瞳不同。圖片412是利用與圖像407的出射光瞳對準的照相機拍攝的，而圖片413是利用與圖像407和408的出射光瞳部分未對準的照相機拍攝的。圖片414是利用與單個出射光瞳進一步未對準、但是與圖像408的出射光瞳對準的照相機拍攝的。圖片412、413和414證明可以通過使用多個出射光瞳來擴大人眼窗口。

圖5是各個出射光瞳如何與頭戴顯示器的“人眼窗口”關(guān)聯(lián)的圖示。在該示例中，圖3A和3B的系統(tǒng)被示為具有兩個出射光瞳。每個出射光瞳212和304為眼睛創(chuàng)建了旋轉(zhuǎn)容限，其中能夠在光進入到眼睛的入射光瞳210的同時看到圖像。在出射光瞳位于眼睛的入射光瞳處時，每一個體人眼窗口501和503的尺寸近似等于眼睛的入射光瞳210的尺寸。在該圖中，使用兩個出射光瞳創(chuàng)建在垂直方向上無縫擴大的有效人眼窗口。在眼睛處創(chuàng)建的多個出射光瞳的數(shù)量和幾何布置可以存在很大的變化范圍，并且很多種組合都是可能的。圖6是利用多個出射光瞳502做出的三種可能的布置的圖示。由于增加了具有附加的源波長的更多出射光瞳502，由多個出射光瞳的覆蓋范圍覆蓋的人眼窗口501得到改善，從而接近較大的合成出射光瞳601的覆蓋范圍。示出若干示例性布置以強調(diào)屏幕上的特定位置，例如中心和拐角(3個、5個和7個位置)。盡管示出了小的且空間分開的出射光瞳502，但是每個出射光瞳的對應(yīng)人眼窗口501(被示為較大的黑色圈)要比各個出射光瞳大，并且其大致是眼睛的入射光瞳的尺寸。如果與每個出射光瞳位置相關(guān)聯(lián)的各個人眼窗口彼此重疊，那么可以使總的有效人眼窗口連續(xù)，而在可視圖像空間中沒有間隙。各個出射光瞳被示為小圓，但是其可能存在一定的尺寸范圍，取決于掃描光束的尺寸。本發(fā)明包括但不限于這些布置。對于較大視場的系統(tǒng)，最期望的解決方案可以是充分覆蓋期望的人眼窗口的大量出射光瞳，即，圖6中的5個和7個出射光瞳。為了使人眼窗口的填充因數(shù)最大化，可以將不同的出射光瞳布置在三角形點陣內(nèi)。替代地，可以通過明確選擇多個出射光瞳覆蓋人眼視力和眼睛旋轉(zhuǎn)的哪些部分來得到更加簡單的解決方案。例如，就2個出射光瞳而言，可以使用單個拐角和眼睛旋轉(zhuǎn)的中心。這對于在利用中心視力和周邊視力可視的人的視場的一角中顯示信息是有用的。出射光瞳在視場內(nèi)可以不重疊，或者它們可以重疊。

只要全息圖具有足以避免相鄰信道之間的串擾的選擇性，就可以對體積全息圖進行有效的波長復用?？梢酝ㄟ^控制材料的折射率變化和材料的厚度對全息圖的選擇性進行調(diào)諧。相對于記錄光而言，該選擇性既適用于重構(gòu)光的波長，又適用于重構(gòu)光的入射角。在復用頭戴顯示器的設(shè)計中，在被用作頭戴顯示器時，在選擇性與對全息圖記錄與讀取之間的光譜和角度未對準的容限之間存在權(quán)衡。圖7示出了通過分析數(shù)學模型所計算的與橫坐標中的波長相比的縱坐標中的全息半反半透鏡的衍射效率，圖7是制作于光聚合物中的體積全息元件的波長選擇性的圖示。在該示例中，在紅光中的三個中心波長上復用記錄了三個全息圖，所述波長為以附圖標記701表示的643nm、以附圖標記702表示的658nm和以附圖標記703表示的671nm，其中使用0.0075的模型化的折射率變化和60μm的全息圖厚度。所記錄的全息圖示出高波長選擇性704、705和706，以用于低串擾讀取。在該模擬中，與全息圖的每側(cè)成0°角和45°角的兩個平面波記錄了全息圖。接下來以45°角讀取全息圖。所考慮的折射率為1.5。根據(jù)選擇了三個紅色波長的該模型化的示例，對于16μm的光聚合物，串擾為大約16％，但是對于較厚的60μm的光聚合物，串擾降至<1％。在本發(fā)明的又一個實施例中，可以通過使用紅色、綠色和藍色光源將顯示器制成全色的。對于全色顯示器，所需要的獨立控制的光帶的數(shù)量是期望的出射光瞳位置的數(shù)量的三倍。例如，一個出射光瞳需要3個光帶，并且7個出射光瞳需要21個光帶。

在本發(fā)明的至少一個實施例中，使用圖8所示的光學全息記錄機構(gòu)來記錄全息半反半透鏡。該機構(gòu)在彎曲的HOE上創(chuàng)建反射全息圖。圖8是頭戴顯示器中的被示為具有三個波長的全息寫入機構(gòu)的示意圖，所述三個波長具有相似的顏色但是具有針對三個出射光瞳位置829的不同的中心波長801、802、803，三個出射光瞳位置相對于全息材料824與眼睛并置。在通過半波板804、805、806之后，利用偏振分束器807、808、809將來自激光器的光束分開，并通過聚焦光學器件813、814、815、816將分開的光束耦合到光纖817、818、819、820中。對象光束830通過透鏡827和825，受到反射鏡828的反射，并在穿過全息材料824并聚焦在出射光瞳位置829處之前穿過偏振器826。參考光束831穿過透鏡821和823、偏振器822，并在穿過全息材料824之前受到反射鏡832的反射。在參考光束831中，合并了所有的激光波長，并使用掃描投影儀的入射角度和位置將所有的激光波長呈現(xiàn)給HOE。在對象光束830中，將激光耦合到各個光纖中，所述光纖被空間布置，并通過HOE而被中繼成像，從而在眼睛位置處創(chuàng)建多個出射光瞳。盡管示出了三個激光源，但是可以針對附加的波長對所述機構(gòu)進行比例調(diào)整?？梢詫D8的記錄機構(gòu)用作“同時”記錄機構(gòu)，在這種機構(gòu)中同時寫入復用的全息圖。同時記錄在全息效率均勻性和一次性記錄時間表方面具有優(yōu)點。替代地，本發(fā)明的其它實施例可以對復用全息圖使用順序記錄，其中，一個接一個地完成多次記錄。另一種方法是利用一個波長或一組波長記錄每個全息膠片，并且接下來將膠片彼此重疊放置。

在頭戴顯示器的至少一個實施例中，對不同波長的光源進行同軸光束合并，以用于從掃描投影儀進行投影。圖9A是對具有不同中心波長902、903、904、905、906的多個LED或光源進行光束合并的衍射方法的示意圖。這些源可以包含在單個受控源901內(nèi)。透鏡907在橫向分開的光束被衍射元件908反射之前對所述光束聚焦，其用來使不同波長的光束在被透鏡909聚焦以獲得準直輸出910之前被共同對準。圖9B是用于具有不同中心波長912、913、914、915、916的準直光源的二向色合束器的示意圖。使用二向色分束器917對來自不同波長的光源的準直光束進行共同對準，以獲得準直輸出918。圖9C是不同波長的準直光源的體積全息合束器的示意圖。通過體積全息元件924對具有不同波長919、920、921、922、923的光源進行共同對準，以獲得軸向合并的光束925。圖9D是使用外腔創(chuàng)建多波長激光源的體積全息合束器的示意圖。源926、927、928、929、930中的每一個都具有抗反射涂層，以避免在其內(nèi)腔中產(chǎn)生激光并入射到全息合束器931上。相反，外部的部分反射反射鏡932形成了用于所有源的腔，以獲得準直輸出933。該方案的優(yōu)點是降低了對溫度變化的敏感度。

在至少一個實施例中，本發(fā)明涉及具有波長分開的光源的頭戴顯示器，所述光源按照非同軸方式被合并，以在來自每個源的光離開掃描微反射鏡之后這些光之間創(chuàng)建相對角度偏移?？梢栽谌敕窗胪哥R中對來自具有適當分開的波長的獨立源的光進行波長復用，以在眼睛處產(chǎn)生空間分開的出射光瞳(并且等同地產(chǎn)生空間分開的人眼窗口)。如果對來自各個源的光進行同軸合并，則需要很大的預處理數(shù)字圖像偏移來在眼睛處對來自不同出射光瞳的視在圖像進行對準。然而，如果使用附加的角度間隔來代替通過創(chuàng)建光學偏移而在眼睛處使視在圖像對準所需的大的預處理圖像偏移中的大多數(shù)，那么取決于投影光學器件的光學校正和光學對準的精確度，幾乎且有可能完全消除數(shù)字預處理圖像偏移。在光學失真的不完美校正或不完美對準的情況下，可以使用小的相對偏移和相對圖像翹曲(預補償失真校正)來使不同出射光瞳的圖像對準，從而為眼睛形成良好對準的單個視在圖像。該方案的優(yōu)點是節(jié)省了在需要顯著的大預處理圖像偏移時損失的像素和圖像面積。圖10示出了創(chuàng)建了兩個出射光瞳1005和1006的護目鏡框架上1001的基于掃描投影儀的頭戴顯示器。在該圖示中，兩個出射光瞳都包含在眼睛209的單個大入射光瞳210內(nèi)。通過掃描投影儀1002對具有不同中心波長的兩個獨立的源進行掃描，創(chuàng)建了偏移光束，所述偏移光束被復用全息半反半透鏡204反射至眼睛209。針對兩個波長，通過實線和虛線示出了兩個源的主光線1003和1004。示出了三個反射鏡掃描位置，它們代表掃描范圍的中心和極限?？梢酝ㄟ^對圖像的獨立預處理來校正兩個圖像之間出現(xiàn)的由光學器件所產(chǎn)生的略微錯位或失真的差所引起的錯位。盡管為簡單起見在兩個維度內(nèi)針對兩個波長示出了這種布置，但是可以利用三維布置對該布置進行直接擴展，以獲得附加的出射光瞳(波長)。

在至少一個實施例中，用于創(chuàng)建非同軸合并的光源的源合并器由空間分布的光源的整體和遠心合并器透鏡組成，遠心合并器透鏡將遠心透鏡的與掃描微反射鏡重合的出射光瞳處的源合并。圖11示出了使具有預定角度的多波長源合并以將其呈現(xiàn)至全息圖的光學設(shè)備。在該圖示中示出了具有不同中心波長的兩個源1101和1102。將所述源準確地放置并布置在單個平面上，使得通過遠心透鏡1103將它們的空間位置轉(zhuǎn)換成角度間隔，所述遠心透鏡的出射光瞳與掃描微反射鏡1104并置。在受到微反射鏡1104反射之后，光1105行進至投影透鏡(未示出)，以對用于呈現(xiàn)至全息圖半反半透鏡的光進行聚焦，使得所述光被準直到或近似準直到眼睛處。獨立的源之間的角度被設(shè)計為使得將來自每個出射光瞳的不同圖像對準到眼睛處所需的預處理圖像偏移最小化。利用精確對準對源進行布置，使得源的取向在離開微反射鏡之后創(chuàng)建必要的角度間隔，以使圖像處理偏移最小化。這些源可以被布置成多種取向，所述取向包括但不限于圖12所示的取向。圖12示出了可以與圖11的設(shè)備一起使用的四種可能的源布置。在這種情況下，每個源發(fā)射器1201可以具有相似的視在顏色，例如紅色，但是其在波長上與相鄰發(fā)射器分開，或者可以例如是紅色、綠色和藍色的組合，如圖13A所示。在至少一個實施例中，源可以是表面安裝發(fā)射器，例如但不限于具有不同波長的垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)、LED、超發(fā)光LED(SLED)、或諧振器LED(RCLED)，可以使用精確拾取和放置方法使這些發(fā)射器在單個電子封裝中精確對準。在另一個實施例中，使用單片制造方法創(chuàng)建寬帶源并對其進行空間布置，并且然后使用晶片級光譜濾波器和光學器件對寬帶源進行修改，以收窄其帶寬。此外，在至少一個實施例中，可以通過在單個電子封裝中針對每個出射光瞳位置緊密排列紅色、綠色和藍色源來創(chuàng)建全色出射光瞳。圖13A示出了本發(fā)明的將圖12的角度偏移源擴展到全色的實施例。如圖12的最左邊的示例中所示，發(fā)射器整體1202被示為具有三個分開的發(fā)射器位置1301、1302、1303。對于每個發(fā)射器位置，緊密布置紅色、綠色和藍色(RGB)發(fā)射器，以大致形成單個發(fā)射器位置。作為例示，發(fā)射器位置1301由紅色發(fā)射器1304、綠色發(fā)射器1305和藍色發(fā)射器1306構(gòu)成。附加的RGB波長形成了其它分開的發(fā)射器1302和1303，以最終創(chuàng)建三出射光瞳合成人眼窗口。該示例中的所有發(fā)射器都應(yīng)當在波長上相互分開，以允許獨立控制以及在復用全息半反半透鏡中的低串擾。圖13B示出了針對單個人眼窗口的略微偏移的RGB發(fā)射器如何在眼睛處創(chuàng)建略微角度偏移的掃描，以在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生圖像1307。為了合并這些圖像以用于人類觀看者，可以使用圖像預處理將圖像對準到具有擴大的合成人眼窗口1305的單個視在彩色圖像中。在另一個實施例中，使用二向色合束器來合并紅色、綠色和藍色光源。圖14示出了用于使用棱鏡二向色合束器1408對來自三個面板1401、1402和1403的多波長源進行非同軸合并的光學設(shè)備。該光學布置尤其適用于合并紅色、綠色和藍色(RGB)面板。在該示例性實施例中，源1101、1102、1404、1405、1406、1407被示為在不同中心波長處針對每個面板具有兩個源的構(gòu)造。源被準確地放置并布置在單個有效平面上，使得它們的空間位置通過遠心透鏡1103被轉(zhuǎn)換成角度間隔，遠心透鏡1103的出射光瞳與掃描微反射鏡1104并置。在受到掃描反射鏡1104的反射之后，光1409行進至投影透鏡(未示出)，以對要呈現(xiàn)給全息圖半反半透鏡的光進行聚焦，使得光被準直或近似準直到眼睛處。獨立的源之間的角度被設(shè)計為使得將來自每個出射光瞳的不同圖像對準到眼睛處所需的預處理圖像偏移最小化。

在又一個實施例中，使用具有相對較大的光譜帶寬的光源：例如LED。為了避免來自全息半反半透鏡的串擾，可能需要光譜濾波，以降低每個發(fā)射器的帶寬。在至少一個實施例中，這可以使用光譜濾波部分實現(xiàn)，光譜濾波部分例如但不限于圖15所示的實施方式。在該布置中，由源1501和1502構(gòu)成的源陣列可以是如圖12或圖13先前所描述的，然而該源將在兩次通過透鏡并被衍射光柵1504反射之后首先被再次成像到空間濾波遮罩1505上。通過對源布置、透鏡、衍射光柵和遮罩進行聯(lián)合優(yōu)化，能夠在圖15的左手邊示出的非同軸合并器所需的空間布置中的遮罩處有效率地產(chǎn)生光。此外，在至少一個實施例中，可以使光源尺寸遠大于濾波遮罩中的孔隙。其目的在于，以降低的功率效率為代價來降低光學組件的對準敏感度。圖15示出了用于對光束進行非同軸合并和投影的光學設(shè)備，其包括圖11的角度合并器、以及光譜和空間帶寬濾波部分。替代地，可以將光譜和空間濾波部分應(yīng)用于圖14的RGB合并器?？臻g和光譜帶寬部分避免了在使用更多寬帶源(例如LED和諧振腔LED)時產(chǎn)生的串擾。在波長和位置上分開的光源1501、1502向透鏡1503并且然后向衍射光柵1504投射光，以使來自每個發(fā)射器的光在角度上分散開，并且然后使用有孔遮罩1505對共軛圖像進行空間和光譜濾波。在有孔遮罩之后，圖11的角度合并器如前所述地對光束進行合并?？梢酝ㄟ^將組件安裝在護目鏡的腿內(nèi)來將圖15所示的光源實施方式緊湊地實施到護目鏡內(nèi)。圖16示出了使用圖15的角度源合并器以及空間和光譜濾波器的概念性單目HMD布置。該布置還包括全息半反半透鏡1602和投影透鏡1603。在另一個實施例中，圖17示出了使用圖15的角度源合并器以及空間光譜濾波器1601、1701中的兩個的概念性雙目HMD布置。該布置還包括處于每個眼鏡片上的兩個全息半反半透鏡1602、1702以及兩個投影透鏡1603、1703。在另一個實施例中，可以在透射布置而非反射布置中完成光譜和空間濾波實施方式，例如但不限于圖18所示的實施方式。與圖15相比，圖18的光學構(gòu)造不是利用反射光柵的折疊雙通道，而是單線傳輸布置。在波長和位置上分開的光源1501、1502投射到透鏡1801并且然后到透射衍射光柵1802，以使來自每個發(fā)射器的光在角度上分開，并且然后在所述光由透鏡1803聚焦以在有孔遮罩1505上進行共軛成像時對其進行空間和光譜濾波。在有孔遮罩之后，圖11的角度合并器如前所述地對光束進行合并。此外，在具有光譜濾波的光源發(fā)射器的又一個實施例中，可以使用復用反射全息元件，以在寬帶源發(fā)射的光受到掃描反射鏡反射之前對其執(zhí)行光譜濾波，例如但不限于圖19所示的實施方式。在圖19中，在波長和位置上分開的光源1501、1502投射到透鏡1901并且然后到復用反射體積全息圖1902。來自HOE 1902的衍射光束在被傳送到掃描反射鏡1104并且然后到有孔濾波器1903之前被所記錄的體積全息圖光譜濾波。也可以通過光柵傾斜來調(diào)整光的方向。

在至少一個實施例中，具有利用全息元件創(chuàng)建的多個出射光瞳的本發(fā)明涉及使用微顯示器面板而不是掃描反射鏡投影系統(tǒng)創(chuàng)建的頭戴顯示器。面板微顯示器被諸如LED或激光光源等源照射，并朝向眼睛投射，以在視網(wǎng)膜上形成微顯示器的共軛圖像。該全息半反半透鏡元件執(zhí)行兩個主要功能。其允許來自外界的環(huán)境光通過，從而向用戶提供正常視覺。其還將來自投影儀的掃描光重新引導至眼睛，以在視網(wǎng)膜上提供圖像。在本發(fā)明中，與現(xiàn)有技術(shù)(見圖2，美國專利4940204)相比，形成合成出射光瞳的多個小光束的引入降低了光束的集光率。這具有兩種顯著的效果：

1)其降低了投影光學器件的尺寸，使HWD更小、更輕。這可以通過檢查圖2并考慮較小的數(shù)值孔徑對從投影儀到全息圖的光的影響來看出。

2)其降低了系統(tǒng)的光學像差，因為降低數(shù)值孔徑提高了光學性能。

在與美國專利4940204相關(guān)的公開文獻中，描述了即使對優(yōu)化全息圖記錄和投影光學器件做出了很大的努力，但是所述系統(tǒng)由于降低圖像質(zhì)量的像差而無法執(zhí)行到高標準。通過急劇降低光束尺寸(例如，縮小10倍)，能夠更好地控制這些像差，以獲得高質(zhì)量圖像。這需要擴大人眼窗口，這是如上文所述地通過波長或偏移復用以在眼睛位置創(chuàng)建多光束出射光瞳來實現(xiàn)的。在至少一個實施例中，使用場序制彩色LCOS微顯示器將不同波長的光投射到全息圖上，以創(chuàng)建多個出射光瞳。不同顏色的源被合并并被呈現(xiàn)給微顯示器。微顯示器按順序遍歷各個顏色，使得投射所有波長的時間構(gòu)成一個視頻幀。這需要微顯示器按照至少等于(波長數(shù)量)*(期望的視頻速率)的速率進行刷新。然后，微顯示器顯示針對每個波長顯示偏移和失真校正圖像，使得各圖像合并，以由于視覺暫留而在眼睛處形成單個圖像(見圖4)。此外，在至少一個實施例中，使用簡單的眼睛跟蹤系統(tǒng)來擇優(yōu)激活與眼睛最佳對準的出射光瞳。其優(yōu)點是在使用場序制顏色時降低所需的微顯示器刷新速率和光源的功耗，因為在任何時刻只需顯示單個出射光瞳的波長的子集。在至少一個實施例中，用于將光從微顯示器傳輸至全息圖的投影光學器件使用傾斜、偏移的非球面非旋轉(zhuǎn)對稱光學元件來對離軸投影和全息圖反射形成的像差進行預補償。類似地，全息圖記錄機構(gòu)(如圖8中的簡化構(gòu)造所示)將利用傾斜、偏移的非球面非旋轉(zhuǎn)對稱光學元件來優(yōu)化全息圖，以獲得HWD中的具有低光學像差的讀出。投影光學器件和全息圖記錄的聯(lián)合優(yōu)化減少了布置的像差，以在視網(wǎng)膜上形成低像差高質(zhì)量的圖像。在又一個實施例中，使用諸如OLED等光發(fā)射面板。這里，像素結(jié)構(gòu)(不管針對不同發(fā)射顏色是堆疊的還是并排的)創(chuàng)建了在眼睛處創(chuàng)建多個出射光瞳所需的多個波長。對相似波長像素中的每組進行獨立控制，以產(chǎn)生用于投影到全息圖上并且隨后投影到用戶眼睛上的適當偏移且失真預補償?shù)膱D像，以使用不同波長形成單個視在單色或彩色圖像。圖20示出了利用面板微顯示器而非掃描投影儀的多出射光瞳布置。通過投影光學器件2003將來自投影模塊2001內(nèi)的微顯示器2002的光投射到復用全息屏幕204上。對全息屏幕204進行波長復用，以使每個波長分開，以創(chuàng)建多個出射光瞳，如圖3到圖7中所述。通過如圖4所示地對圖像進行預處理來在眼睛處創(chuàng)建單個圖像。投影光學器件2003由將光呈現(xiàn)至全息元件204所需的光學元件的布置構(gòu)成，使得全息元件以低像差將近似準直的光朝向眼睛反射。投影透鏡的這些光學元件由透鏡、反射鏡、形式自由的元件、偏移和傾斜元件、非球面透鏡和反射鏡、非軸對稱透鏡和反射鏡以及棱鏡構(gòu)成，但不限于此。三個光場位置2004被示為從投影儀投射。在從全息反射器204反射之后，三個角度分開的光束2005、2006、2007在眼睛209處形成空間分開的出射光瞳。

在多出射光瞳頭戴顯示器的另一個實施例中，本發(fā)明涉及用于將兩個或更多出射光瞳置于眼睛處的系統(tǒng)和方法，其中，對出射光瞳的位置加以控制，以使得

1)至少一個出射光瞳提供與軸上透視視覺子顯示疊加的圖像；

2)至少一個出射光瞳在相對于正常視覺大體上離軸的“瞥視”子顯示中提供單獨且獨立的圖像。在至少一個實施例中，HOE被劃分成代表分開的視場的兩個或更多區(qū)域，其中至少一個區(qū)域?qū)⒐庵匦乱龑У教峁┹S上透視子顯示的出射光瞳中，并且至少另一個區(qū)域?qū)⒐庵匦乱龑У教峁┢骋曤x軸子顯示的出射光軸中。

圖21A示出了使眼睛與兩個分開的出射光瞳的其中之一對準的掃描視網(wǎng)膜顯示器的光學示意圖，兩個分開的出射光瞳具有利用單波長光束2101創(chuàng)建的分開的視場。單波長光束入射到掃描反射鏡205上，掃描反射鏡205將總視場劃分成軸上透視顯示光2104和瞥視離軸光2105。兩組光束都受到全息反射器204的反射，以形成會聚光捆2102和2103，它們在眼睛209處形成兩個出射光瞳。在該圖中，使眼睛視線211與軸上透視光2102對準。圖21B示出了與圖21A相同的系統(tǒng)，但是眼睛視線211與瞥視離軸光2103對準。在另一個實施例中，軸上透視子顯示和離軸瞥視子顯示兩者的可用視場是部分重疊的。圖21C示出了掃描視網(wǎng)膜顯示器的光學示意圖，其中，眼睛視線與一個光捆2108對準，光捆2108具有與利用雙波長光束2106和2107創(chuàng)建的第二光捆2109部分重疊的視場。由不同波長或波長組來記錄并讀取HOE實現(xiàn)了軸上透視子顯示與離軸瞥視子顯示之間的區(qū)分。在圖21D所示的又一個實施例中，可以使軸上透視子顯示視場與離軸瞥視子顯示視場兩者重疊，以允許用戶在直視前方的同時看到離軸瞥視子顯示中的警報。在至少一個實施例中，MEMS掃描反射鏡在足夠?qū)挼慕嵌确秶鷥?nèi)投射光，以顯示軸上透視子顯示和離軸瞥視子顯示兩者的信息，如圖21A-圖21D所示。光在HOE上的照射位置和光波長二者區(qū)分出光被重新引導到哪一出射光瞳中，因而區(qū)分出光被發(fā)送至哪一子顯示。在至少一個實施例中，將多個光源(每個子顯示一個光源)放置到不同位置上。圖21E示出了掃描視網(wǎng)膜顯示器的光學示意圖，其中眼睛與一個光捆2114對準，光捆2114具有與利用在位置和角度上分開的兩個光源2112和2113創(chuàng)建的第二光捆2115分開的視場。從一個特定位置產(chǎn)生的光照射到HOE上，以便用于軸上透視子顯示，而在另一位置上產(chǎn)生的光照射到HOE上，以便用于離軸瞥視子顯示。在圖21F所示的另一個實施例中，回轉(zhuǎn)反射鏡2120修改照射在掃描反射鏡205上的光的入射角度，由此修改光束在HOE上的照射位置。對于回轉(zhuǎn)反射鏡的給定位置，然后可以將光發(fā)送到提供離軸瞥視子顯示的區(qū)域，或者可以將光發(fā)送到提供軸上透視子顯示的區(qū)域。

在本發(fā)明的另一個實施例中，多個掃描反射鏡通過從全息光學元件進行反射來在眼睛位置處創(chuàng)建多個出射光瞳。在至少一個實施例中，對全息圖進行角度復用以獲得多個出射光瞳。圖22A是利用兩個掃描反射鏡(只有一個可以看到)2201的掃描視網(wǎng)膜顯示器的俯視光學示意圖，其中，來自兩個不同角度的光從全息圖204反射回到眼睛209，以在眼睛處創(chuàng)建兩個分開的出射光瞳。圖22B示出了與圖22A相同的系統(tǒng)的側(cè)視圖，其中，兩個掃描反射鏡2201和2202創(chuàng)建兩個分開的光束2203和2204，它們又在眼睛位置處或接近眼睛位置處創(chuàng)建兩個獨立的出射光瞳。圖23示出了用于記錄圖22A的多出射光瞳頭戴顯示器的角度復用全息圖的機構(gòu)。該圖在許多方面與圖8的波長復用實施例相似。將所使用的每個激光分離成兩個光束，它們將在全息膠片中發(fā)生干涉。在參考分支上，每個光源從不同位置向全息圖發(fā)送光，以在全息膠片的每個位置處產(chǎn)生不同的入射角。對于具有足夠選擇性的全息材料和足夠遠的入射角，將入射到當時被記錄的HOE的位置上的每個光束攪拌(stir)到其對應(yīng)的人眼窗口內(nèi)。在圖23中，使用具有同一中心波長2301的三個激光器來產(chǎn)生具有在頭戴顯示器中與眼睛并置的三個出射光瞳的全息半反半透鏡。在通過半波板2302之后，利用偏振分束器807、808、809分離來自激光器的光束，并通過聚焦光學器件2303將光束耦合到光纖2304中。對象光束2306通過透鏡827和825，被反射鏡828反射，并在通過全息材料824并聚焦在出射光瞳位置829上之前通過偏振器826。參考光束2305在全息半反半透鏡824之前通過偏振器2307。在參考光束2305中，使用代表多個掃描反射鏡的入射角將激光呈現(xiàn)給HOE。在對象光束2306中，激光被空間呈現(xiàn)給HOE，以在眼睛位置處創(chuàng)建多個出射光瞳。盡管示出了三個激光源和復用角度，但是可以針對附加的復用全息圖對機構(gòu)進行縮放。

在本發(fā)明的另一個實施例中，入射到HOE的每一側(cè)的兩個準直或近似準直的光束發(fā)生干涉，從而為不形成光瞳的頭戴顯示器產(chǎn)生反射全息圖。該頭戴顯示器被稱為不形成光瞳，因為在光學系統(tǒng)中不形成中間圖像。該類型的布置的結(jié)果是視場受到限制，并且更加難以增大人眼窗口。就不形成光瞳的系統(tǒng)而言，可以使用入射到全息膠片的相對側(cè)上的兩組或更多組準直或近似準直的光束來增大視場，這些光束在全息膠片上發(fā)生干涉以產(chǎn)生圖24A所示的反射全息圖。每組由先前從同一相干光源分離的兩個光束構(gòu)成。在至少一個實施例中，對HOE進行角度復用。圖24A示出了三組光束。參考光束2407、2408、2409由透鏡2406來準直并入射到全息材料2405上。對象光束2401、2402、2403由透鏡2404來準直并入射到全息材料2405的相對側(cè)上。此時記錄的全息半反半透鏡將產(chǎn)生位置2410將位于全息材料之下的出射光瞳。在至少一個實施例中，有可能通過使讀出與不同的復用HOE的衍射角匹配來極大地減少串擾。在圖24B中，示出了用于由分析數(shù)學模型所計算的兩個不同全息半反半透鏡的作為波長的函數(shù)的衍射效率2413、2414。還示出了作為入射角的函數(shù)的兩個全息圖的衍射角2411、2412。由于全息圖在入射角到衍射角上密切匹配，因而它們能夠被合并，以獲得連續(xù)的總視場。對于利用45°的參考光束角所記錄的全息半反半透鏡和利用55°的參考光束角所記錄的全息半反半透鏡，衍射角都是3.304°。在另一個實施例中，對不形成光瞳的HOE進行光譜復用而非角度復用。圖25示出了利用三個復用波長的反射全息圖寫入布置。對象光束由具有三個不同波長的三個空間上分開的源2501、2502、2503構(gòu)成，它們由透鏡2504來準直，并被引導到全息材料2505上。參考光束包含被合并成單個記錄光束2407的三波長光束，單個記錄光束2407由透鏡2506來準直，并且然后入射到全息材料2505上。當時記錄的全息半反半透鏡將產(chǎn)生位置2508將位于全息材料之下的出射光瞳。

圖26示出了位于護目鏡框架2601上的掃描投影單目頭戴顯示器的圖。從光源2604發(fā)射的光在被半反半透鏡元件204反射至眼睛209之前被掃描反射鏡和聚焦光學器件2603投射。顯示器光被聚焦在視網(wǎng)膜2602上。

在本發(fā)明的另一個實施例中，使用從眼睛反射并在掃描投影系統(tǒng)內(nèi)的探測器中采集的光來測量眼睛的共焦圖像。圖27描述了基于共焦顯微鏡布置的成像系統(tǒng)。通過針孔2705上的第一透鏡2706來聚集來自包含一個或多個光源的光源2709的準直光。來自針孔的光由透鏡2704來準直，并通過掃描反射鏡2703在兩個維度上掃描所述光。所述光被引導至并通過透鏡2702抵達適合的全息半反半透鏡204，全息半反半透鏡204可以是體積全息元件、衍射光學元件(起伏的(relief))或者具有頻率選擇響應(yīng)的彎曲反射元件。對于給定的掃描角，光被聚焦在視網(wǎng)膜2602上的一個點上。該光的一部分以相同的波長通過熒光反應(yīng)、拉曼散射而被往回反射(瑞利散射)，或者通過非線性現(xiàn)象而被往回反射(與入射光存在頻率偏移)。該光束傳播回到2701，并受到全息半反半透鏡的反射。在頻率偏移光的情況下，全息半反半透鏡在偏移頻率下具有適當?shù)姆瓷?。由于針孔的圖像是光在視網(wǎng)膜上聚焦的點，因而針孔將阻擋那些并非來自該焦點的光。這是共焦顯微技術(shù)的基本原理。其允許排除雜散光和來自空間的其它部分的散射光。在針孔之后，反射光在經(jīng)過分束器2707的反射之后被引導至探測器2708。然后通過利用掃描元件對入射光束進行掃描來逐點形成視網(wǎng)膜的圖像。圖28示出了圖27的變型。全息半反半透鏡對特定波長的入射光束進行反射并將該光束2801聚焦到眼球的不同部分中(不同于視網(wǎng)膜)。這樣，可以對眼睛的其它結(jié)構(gòu)成像。例如，可以將光束2801聚焦在眼睛的晶狀體上。一些研究表明，晶狀體的自發(fā)熒光(藍光激勵)水平是糖尿病的指標?？膳宕鞣椒ㄔ试S以非侵入方式連續(xù)地監(jiān)測晶狀體的自發(fā)熒光，并且因此為醫(yī)師提供有價值的信息。圖29示出了又一個變型。通過使用紅外波段內(nèi)的附加波長，可視頭戴顯示器不會被擾亂(在該情況下半反半透屏幕不修改可見光)。通過一個專用探測器2903來獲得視網(wǎng)膜2602的圖像，并且利用另一探測器2902來獲得其它部分(例如晶狀體)的圖像，因為信息在不同顏色中被光譜編碼，因而能夠被單獨檢測。使用衍射類型分束器來將紅外光和可見光2901分開。圖30是另一種實施方式，其中在探測器處通過光束分裂濾波器3001將光束分開，光束分裂濾波器可以是干涉型、二向色型、全息型，但不限于此。在本發(fā)明的共焦成像方法的另一個實施例中，使用光纖光學器件代替圖30所示的針孔孔隙。利用光纖4301，光源被轉(zhuǎn)移與掃描反射鏡不同的位置上，以允許護目鏡的設(shè)計更具靈活性。光纖自身是下述列表的選項之一：單模光纖、多模光纖或者包括單模芯和較大的多模芯二者的雙包層光纖。就雙包層光纖而言，使用單模芯將光以高分辨率投射到HWD中，而多模芯用于收集共焦返回信號。這允許將較大的孔隙用于共焦返回信號，從而在不犧牲顯示分辨率的情況下提高信噪比。上述實施例用于對眼睛成像。由于能夠?qū)σ暰W(wǎng)膜成像，因而能夠識別靜脈并且因此能夠使用多種方式測量諸如血細胞流量、心率和動脈血壓(收縮壓、平均值和舒張壓)等參數(shù)?？梢酝ㄟ^使用在心臟泵送血液時出現(xiàn)的變化的血量所引起的小反射率變化來測量心率，但不限于此。由于成像系統(tǒng)是共焦的，因而能夠使精確區(qū)域(例如靜脈)與眼睛的另一部分隔離，從而以高信噪比提取出信號。由于與收縮舒張壓變化相關(guān)聯(lián)的動脈搏動的原因，血紅蛋白濃度隨時間變化。因此，對來自靜脈的背向散射光的光譜光學測量是獲得動脈搏動的另一種方法?？梢酝ㄟ^使用兩個或更多波長(例如，在HWD發(fā)明的紅光范圍內(nèi)的兩個可用波長)來獲得光譜測量。

在本發(fā)明的另一個實施例中，將眼睛的掃描共焦圖像用于眼睛跟蹤。圖31是利用標準檢眼鏡(適于眼睛的顯微鏡)拍攝的視網(wǎng)膜的圖像。可以清晰地看到靜脈。圖32示出了通過諸如圖27到圖30所述的那些等檢眼鏡看到的視網(wǎng)膜的不同部分。不同圖像3201、3202、3203對應(yīng)于不同注視方向?？梢钥闯?，圖像所具有的特征對注視方向是唯一的?？梢詮膱D像提取作為唯一標記、并且可以用作表示注視方向的圖像的唯一標識、并且因此能夠用作眼睛跟蹤器的特征。特征不限于視網(wǎng)膜的圖像，眼睛的隨眼睛方向移動的其它部分的圖像也可以充當唯一注視標識。圖33是描述眼睛跟蹤方法的方框圖：首先系統(tǒng)具有校準例程?？梢悦扛粢欢螘r間完成校準。周期取決于特征的變化速率，并因此受到調(diào)整。校準包括在用戶注視不同方向時抓拍視網(wǎng)膜圖像。例如，要求用戶凝視頭戴顯示器上顯示的并且發(fā)生移動以覆蓋一組注視方向的特征。然后從圖像中提取特征，以形成降低數(shù)量的唯一圖像標識。形成對應(yīng)于每個注視方向的特征的數(shù)據(jù)庫。通過將圖像減少到唯一特征，可以使用較小的存儲器。因而，通過首先抓拍圖像(視網(wǎng)膜或其它部分)并且然后將該圖像與數(shù)據(jù)庫中的圖像相關(guān)來執(zhí)行眼睛跟蹤。然后分類算法確定數(shù)據(jù)庫中的哪個圖像與最新抓拍的圖像最為相似。一種方法是選擇具有最高相關(guān)性的圖像。視網(wǎng)膜解剖結(jié)構(gòu)的另一項用途是使眼內(nèi)壓(IOP)與視神經(jīng)盤位移相關(guān)。已經(jīng)表明視神經(jīng)盤位移與眼壓有關(guān)。因此通過連續(xù)監(jiān)測視神經(jīng)盤(圖31中接近視神經(jīng)的區(qū)域)的位置，能夠提取出與眼壓有關(guān)的信息，而眼壓則是青光眼的主要誘因。

在另一方法中，通過監(jiān)測眼睛反射的對應(yīng)于每個出射光瞳的光的強度來實現(xiàn)眼睛跟蹤。在示出了3出射光瞳(但不限于此)的圖34的示例中，只有對應(yīng)于一個出射光瞳3401的光通過了眼睛入射光瞳3402，對應(yīng)于其它出射光瞳3403、3404的光被阻擋。因而，共焦成像系統(tǒng)將只給出來自與眼睛入射光瞳3402對準的出射光瞳3401的可觀信號。由于人眼窗口的相對空間位置是預先已知(校準)的，因而探測器(圖27到圖30中的探測器)處的相對強度比給出了對注視方向的測量。圖34示出了與“人眼窗口”有關(guān)的出射光瞳的正視圖。

圖35示出了多出射光瞳頭戴顯示器的實施方式，該顯示器具有被放置為直接向用戶的前面看的照相機3501。如圖36所示，照相機抓拍場景3601，并向頭戴顯示器提供場景的縮放版本3604。例如，具有低視力的人，例如但不限于與年齡有關(guān)的黃斑變性(AMD)的情況，對于該情況，在中央凹窩處存在視敏度損失，但是周邊視力不受影響，這些人能夠受益于使圖像縮放的選擇，以更好地看到細節(jié)，否則他們在沒有縮放的數(shù)字圖像的情況下無法看到其黃斑區(qū)域3602中的細節(jié)。這是通過利用照相機3501抓拍圖像、對圖像進行適當?shù)臄?shù)字處理(例如數(shù)字縮放、向圖像增加對比度或邊緣增強)、并且借助于本發(fā)明的增強現(xiàn)實可佩戴眼鏡顯示器將經(jīng)處理的數(shù)字圖像呈現(xiàn)至觀看者視場來實現(xiàn)的。在諸如主體損失周邊視力但仍保持中央凹窩敏度的管狀視力等其它低視力情況下，可以通過使照相機3501抓拍圖像、然后對該圖像進行處理以便提取出有用信息(例如處于患者的周邊視力外部的對象)來規(guī)避周邊視力損失。然后將該信息顯示在眼鏡上的中央凹窩區(qū)中，以便為患者提供其無法看到的對周圍景物的覺察。在另一個實施例中，將照相機以外的其它傳感器(在可見光或紅外光譜區(qū)中敏感)添加到本發(fā)明的可佩戴眼鏡上，所述傳感器例如但不限于位置傳感器(包括加速度計)、GPS傳感器、壓力傳感器或者能夠?qū)膳宕餮坨R的空間中的位置進行定位的任何類型的傳感器。通過將這些定位傳感器與眼睛跟蹤系統(tǒng)(例如但不限于本申請中描述的系統(tǒng))結(jié)合，并通過使用雙目投影顯示器(例如但不限于具有多個出射光瞳(每只眼睛一個)的系統(tǒng))，能夠生成具有三維信息的增強現(xiàn)實。定位傳感器相對于場景(例如通過照相機數(shù)字記錄的)來定位護目鏡的位置。眼睛跟蹤系統(tǒng)確定場景中的感興趣的對象。因而借助兩種信息，可以關(guān)于場景中的對象生成要顯示的適當?shù)脑鰪妶D像。

圖37示出了在透明基質(zhì)3703中的嵌入的小相息圖反射鏡3701和3702，透明基質(zhì)3703可以是任何適合的熱塑性塑料(例如，聚碳酸酯、PMMA)。小反射鏡的功能是將來自投影儀的光束重新引導至眼睛209。投影儀可以是掃描反射鏡或固定的微顯示器(例如LCD、LCOS)。反射鏡可以涂覆有薄膜，以提供充分的光譜反射響應(yīng)。出于例示的目的，我們假設(shè)3個人眼窗口和單色操作。嵌入的反射鏡的光譜響應(yīng)是在3個光源的光譜帶中的反射以及可見范圍的其它部分的透射。通過將相息圖反射鏡(其看起來像相息圖)嵌入在具有相同折射率的材料中，通過全息半反半透鏡的光不受干擾。

圖38示出了用于出于合成更大的人眼窗口的目的而獲得多個出射光瞳的另一種方法。首先對寬帶3802光源3801進行光譜切分3803，以產(chǎn)生由每者都分開一段沒有光的光譜區(qū)帶的分立的發(fā)射帶組成的光譜3804，寬帶光源例如但不限于具有小發(fā)射孔隙(1微米到10微米之間)的發(fā)光二極管、具有相同的小發(fā)射孔隙的諧振腔發(fā)光二極管、激光二極管、超發(fā)光二極管和VCSEL。然后通過2D掃描儀2703對所得到的準直光進行掃描，2D掃描儀可以是但不限于MEMS掃描儀、諧振或非諧振聲光偏轉(zhuǎn)器、液晶偏轉(zhuǎn)器。使用投影透鏡2702來產(chǎn)生發(fā)散光束3805。全息半反半透鏡204根據(jù)波長3806、3807來重新準直發(fā)散光束。例如，全息半反半透鏡可以是但不限于全息元件、聚合物類型、晶體類型或玻璃類型的體積全息元件。優(yōu)選為聚合物全息材料，因為其能夠被層壓到表面上。由于發(fā)散光束由多個不同的波段組成(出于例示的目的，在圖38的示例中存在兩個不同波長)，因而反射全息圖具有一定的厚度，并且通過對波段13807進行衍射的方式來制成，以產(chǎn)生對應(yīng)于發(fā)散光束的某一角度范圍的準直光束。類似地，波段23806被衍射以產(chǎn)生準直光束，該準直光束以與波長1的準直光束相同的方向進行傳播，但是在空間上發(fā)生了位移，以產(chǎn)生具有多個出射光瞳的擴大的人眼窗口。

圖39示出了用于獲得多個出射光瞳的另一種方法。對如圖38中所述的同一準直光源3801進行光譜濾波3804，并通過2D掃描儀2703進行偏轉(zhuǎn)。光束入射到例如但不限于透射衍射光柵的色散光學元件3901上。在投影透鏡2702之后，透射光柵產(chǎn)生對應(yīng)于每個波段(圖39所示的示例中的兩個波段)的兩個不同的發(fā)散光束3902和3903。具有與圖38中相同的描述的全息半反半透鏡204產(chǎn)生對應(yīng)于每個波段的兩個重新準直的光束3904和3905，這形成了具有多個出射光瞳的擴大的人眼窗口。

圖40示出了處于一副眼鏡2601(雙目或單目)的每一側(cè)上的多出射光瞳投影系統(tǒng)。因此左眼和右眼均重新接收到來自相應(yīng)的投影系統(tǒng)的圖像。通過使用圖32、圖33、圖34中描述的跟蹤系統(tǒng)(但不限于此)，能夠根據(jù)注視方向來顯示三維信息。三維來自于雙目視圖。例如，置于眼鏡上的照相機3501抓拍代表佩帶者的視野的圖像。通過將照相機與觀看者的注視角度校準，有可能利用適當?shù)男畔碓鰪娨晥D。例如，在醫(yī)療中，對于佩戴護目鏡的外科醫(yī)生，可以將增強的信息直接顯示到外科醫(yī)生的注視方向上?？梢辕B加外科醫(yī)生的實際視野無法直接看到的重要動脈的位置。

圖41是在其上放置投影系統(tǒng)以及全息半反半透鏡204的剛性結(jié)構(gòu)的實施例，投影系統(tǒng)即源2604、探測器、掃描儀或微顯示器2603。在剛性結(jié)構(gòu)4101上使系統(tǒng)對準。然后將剛性結(jié)構(gòu)設(shè)置(附接)到護目鏡的框架4102上，護目鏡可以是但不限于具有驗光眼鏡的護目鏡。將全息半反半透鏡置于投影系統(tǒng)與眼鏡之間?？梢詫﹄x開全息半反半透鏡的光束的發(fā)散度進行調(diào)整，以針對用戶的眼睛處方做出補償。

圖42是具有置于眼鏡4101外部上的全息半反半透鏡204的另一個實施例。因此，包括光源2604、探測器、掃描儀或微顯示器2603的投影系統(tǒng)附接在側(cè)面分支上。對全息半反半透鏡進行固定，例如但不限于用環(huán)氧樹脂固定、夾住或用螺絲固定。