[发明专利]头戴式显示器眼球追踪器集成系统

说明书

技术领域

本发明涉及集成的头戴式显示器(HMD)系统，尤其涉及包括两个组合单元：头戴式单元和眼球追踪单元的系统。

本发明可被有利地实现在许多成像应用中，例如便携式DVD、蜂窝电话、移动电视接收器、游戏机、便携式媒体播放器、或其他移动显示设备。

背景技术

紧凑光学元件的一个重要应用是在HMD中，其中光学模块既用作成像透镜也用作组合器(combiner)，其中二维图像源被成像至无限远(infinity)并被反射到观察者的眼睛中。显示源可直接从例如空间光调制器(SLM)(诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管阵列(OLED)、扫描源)获得，或者间接地通过中继透镜或光纤束获得。显示源包括通过准直透镜被成像至无限远并通过反射或部分反射表面被传输到观看者的眼睛中的元件(像素)阵列，所述反射或部分反射表面分别用作用于非透视应用或透视应用的组合器。通常，传统的自由空间光学模块被用于这些目的。然而，由于HMD系统的期望的视场(FOV)增大，这种传统的光学模块变得更大、更沉并且更笨重(bulkier)，从而即使对中等性能的设备，也是不切实际的。这对于所有类型的显示器尤其是头戴式应用来说是主要缺点，在该头戴式应用中，系统一定要尽可能地轻和紧凑。

为紧凑所作的努力已经得到了一些不同的复杂的光学解决方案，所有这些光学解决方案，一方面对于大部分实际应用仍然不够紧凑，另一方面，在可制造性方面存在主要障碍。此外，从这些设计得到的光学视角的眼部运动箱(eye-motion-box，EMB)一般都非常小，通常小于8mm。因此，即使是光学系统相对于观看者的眼睛的很小的移动，光学系统的性能也非常敏感，并且不允许瞳孔充分地运动以从这种显示器舒适地阅读文本。

所有以本申请人的名义申请的编号为WO01/95027，WO03/081320，WO2005/024485，WO2005/024491，WO2005/024969，WO2005/124427，WO2006/013565，WO2006/085309，WO2006/085310，WO2006/087709，WO2007/054928，WO2007/093983，WO2008/023367，WO2008/129539和WO2008/149339的公开文本中包括的教导通过引用合并于此。

发明内容

本发明促进了非常紧凑的光导光学元件(light-guide optical element，LOE)用于HMD，以及其他应用。本发明允许与相对大的EMB值一起的相对宽的FOV。作为结果的光学系统提供了大、高质量的图像，这也适应眼睛的大的运动。因为本发明提供的光学系统基本上比观有技术的实现方式更紧凑，而且本发明提供的光学系统甚至可以容易地集成到具有专用配置的光学系统中，所以本发明提供的光学系统特别有利。

被证明为对HMD设计有用的另一个光学功能是眼球追踪，或者是感测相对于头部方向的眼球正在注视的方向。通常的眼球追踪器会结合微型CCD相机以及用于照射瞳孔的红外LED。通过测量瞳孔的形状和位置的改变，可以察觉到观看者的眼睛正在注视的方向，一旦被校准就会具有非常适当的准确度。结合头部位置和眼睛位置的测量将解决现有的HMD技术中固有的问题，因为投射的符号和瞄准线会从属于(be slaved to)观看者正在注视的方向，从而保持现有的人体追踪行为。这对于将HMD和眼球追踪器组合到同一个光学模块中是有利的。

所以，本发明的主要目的是减轻现有技术的紧凑型光学显示器装置的缺点，并根据特定需求提供具有改进性能的其他光学组件和系统。

所以，根据本发明，提供了一种光学系统，包括：具有至少两个主表面和边缘的光传输基片，用于通过全内反射将光波耦合到该基片中的至少一个光学装置，由该基片支撑的至少两个部分反射表面，其中所述部分反射表面不平行于该基片的主表面，投射位于第一光谱内的光波的至少一个光源，和投射位于第二光谱内的光波的至少一个显示源，其特征在于，来自光源的光波和来自显示源的光波通过全内反射被耦合到该基片中。

附图说明

参照下面示出的附图，结合一些优选实施例来说明本发明，从而可以更完整地理解本发明。