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CN104395815A - 头戴式显示器眼球追踪器集成系统 - Google Patents

头戴式显示器眼球追踪器集成系统 Download PDF

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CN104395815A
CN104395815A CN201380026959.6A CN201380026959A CN104395815A CN 104395815 A CN104395815 A CN 104395815A CN 201380026959 A CN201380026959 A CN 201380026959A CN 104395815 A CN104395815 A CN 104395815A
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Abstract

一种具有眼睛追踪系统的头戴式显示器，包括：具有两个主表面和边缘的光传输基片(20)，用于通过全内反射将光耦合到所述基片(20)中的光学装置，不平行于基片(20)的主表面的由基片(20)支撑的部分反射表面(22a-22c)，近红外光源(78)和投射明视光谱范围内的显示源(92)，其中，来自光源(78)的光和来自显示器光源(92)的光通过全内反射被耦合到基片(20)中。

Description

头戴式显示器眼球追踪器集成系统
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。
详细地参照具体的附图，应当强调，示出的细节是以举例的方式并且仅为了示意性说明本发明的优选实施例的目的，并且以提供被认为是最有用的内容和容易理解本发明原理及概念方面的描述的方式来呈现。就此而言，除对本发明的基本理解来说是必需的以外，不试图更详尽地示出本发明的结构细节。结合附图所作的说明是为了指导本领域技术人员可以在实际中如何实施本发明的若干种形式。
在附图中：
图1是现有技术的示例性的LOE的侧视图；
图2A和图2B示出了针对两种入射角范围的、在本发明中使用的选择性(selectively)反射表面的期望的反射特性和透射特性；
图3示出了示例性的介质涂层的作为入射角的函数的反射率曲线；
图4是示出了示例性的选择性反射表面阵列的详细剖面图的示意图；
图5示出了现有技术的眼镜HMD设备；
图6示出了LOE的侧视图，显示了从眼睛散射的并被耦合回到LOE中的光波；
图7示出了具体部分反射表面的作为波长的函数的反射率曲线；
图8示出了另一个部分反射表面的作为波长的函数的反射率曲线；
图9示出了两个不同的部分反射表面的作为入射角的函数的反射率曲线；
图10示出了LOE的侧视图，显示了从眼睛散射的并被耦合回到LOE中的、穿过出射孔径而被耦合出去的光波；
图11示出了LOE的侧视图，显示了从眼睛散射的并被耦合回到LOE中的光波，其中仅仅部分光线穿过出射孔径而被耦合出去；
图12示出了在两个不同入射角时的反射滤光器的作为波长的函数的反射率曲线；
图13示出了在两个不同入射角时的透射滤光器的作为波长的函数的反射率曲线；
图14示出了结合来自显示源和光源的光波的光学系统；
图15示出了偏振分束器的作为波长的函数的反射率曲线；
图16示出了LOE的另一个实施例的侧视图，该LOE具有两个相邻的部分反射表面，用于将光波耦合输出到观看者的眼睛中。
具体实施方式
图1示出可在本发明中使用的现有技术的基片20和相关联的元件(在下文中也被称作“LOE”)的剖面图。诸如反射表面16的光学装置被从位于LOE后方的光源(未示出)发出光线的准直显示器18照射。反射表面16反射来自光源的入射光，从而通过全内反射将光限制(trap)在LOE的平面基片20内部。在基片20的主要的下表面26和上表面27上进行数次反射后，被限制的光波到达选择性反射表面22的阵列处，该选择性反射表面22将从基片出射的光耦合到观看者的具有瞳孔25的眼睛24中。此处，LOE的入射表面将被视为是入射光波通过其进入LOE的表面，而LOE的出射表面将被视为是被限制的光波通过其离开LOE的表面。在图1所示的LOE的情况下，入射表面和出射表面都在下表面26上。然而，也可预期其它配置，其中输入光波和成像光波可位于基片20的相对侧。假设光源的中心光波在垂直于基片表面26的方向上从基片20被耦合出去，反射表面22是平的，并且被耦合在基片20内部的光波的离轴角是αin，则在反射表面和基片平面的法线之间的角αsur2为：
α sur 2 = α in 2 . - - - ( 1 )
如图1和图2A所示，被限制的光线从两个不同的方向28、30到达反射表面。在这个特定实施例中，在被基片表面26和27反射偶数次后，被限制的光线从这些方向28中的一个到达反射表面，其中被限制的光线和反射表面的法线之间的入射角βref(参见图2A)为：
在被基片表面26和27反射奇数次后，被限制的光线从第二方向30到达反射表面，其中离轴角为αin′＝180°-αin，并且被限制的光线和反射表面的法线之间的入射角如图2B所示为：
进一步如图1所示，对于每个反射表面，每束光线首先从方向30到达表面，其中部分光线再次从方向28照射到该表面上。为了防止不希望的反射和重影，重要的是，具有第二方向28的照射到该表面上的光线的反射率应该是可忽略的。
对于这种需求，之前在上述出版物中提出了利用薄膜涂层的角度灵敏度的方案。如果一个角明显小于另一个角，则可实现两个入射方向之间的期望的区别。可提供对高入射角具有极低的反射率而对低入射角具有高反射率的涂层。可以利用这种属性通过消除在两个方向中的一个方向上的反射来防止不希望的反射和重影。例如，选择βref～25°，则可以计算出：
β’ref＝105°；αin＝50°；α’in＝130°；αsur2＝25°。   (4)
如果反射表面现在被确定为β’ref不反射，而βref反射，则实现期望的状况。
现在具体参照图2A和图2B，这些图示出了选择性反射表面的期望的反射行为。当具有βref～25°的离轴角的光线32(图2A)被部分反射并且从基片34被耦合出去时，以β’ref～75°的离轴角到达反射表面(等同于β’ref～105°)的光线36(图2B)被透射通过反射表面34，而没有任何显著的反射。LOE通常不仅被用于单个光波，而且被用于具有宽FOV的光学系统。假设系统具有30°的FOV，而LOE具有1.517的折射率，则基片内部的FOV为～20°。结果，存在两种针对这种具体的LOE而定义的角区域：第一区域是β’ref所在的75°±10°，而第二区域是βref所在的25°±10°。
图3示出了这种具体的LOE的通常的部分反射表面的、作为具有波长λ＝550nm的S偏振光的入射角的函数的反射率曲线。对于全彩色显示，针对明视(photopic)区域中的所有其他波长会实现类似的反射率曲线。在这个图中存在两个重要的区域：在65°到85°之间，其中反射率非常低；和在10°到40°之间，其中反射率随着入射角的增加而单调增加。因此，只要对于给定的FOV和给定的光谱区域，可确保期望极低反射率的整个角谱β’ref将位于第一区域内，而要求较高反射率的整个角谱βref将位于第二区域内，就可确保仅具有一个基片的实施例的反射光进入观看者的眼睛中，从而确保无重影图像。
图4是选择性反射表面的阵列的示意性剖面图，该选择性反射表面将被限制在基片内部的光线耦合输出并入射到观看者的眼睛中。如图所示，在每个周期中，具有方向α’in＝130°的被耦合的光线穿过反射表面38，由此光线和反射表面的法线之间的角度为～75°，并且来自这些表面的反射是可忽略的。此外，在每个周期中，光线39在αin＝50°的方向上两次穿过反射表面22，其中入射角为25°，并且光线的部分能量从基片中被耦合出去。
通常，与用于显示应用的替选的紧凑光学器件相比，上述出版物中考虑的LOE的所有潜在配置提供了几个重要的优点，包括：
1)输入显示源可位于非常靠近基片的位置处，使得整个光学系统紧凑并且重量较轻，从而提供了无与伦比(unparalleled)的外形尺寸；
2)与其他紧凑型显示器配置相比，LOE技术提供了关于输入显示源相对于目镜的位置的灵活性。该灵活性与用于将该显示源靠近扩大的基片放置的能力相结合，减少了使用对其他显示系统而言常见的离轴光学配置的需求。此外，由于LOE的输入孔径远小于输出孔径的有效面积，准直透镜的数值孔径远小于可比较的传统成像系统所需要的数值孔径。因此，可实现显著更方便的光学系统，并且可相对容易和有效地补偿与离轴光学器件和高数值孔径透镜相关联的许多困难，例如场偏差或色偏差；
3)本发明中的选择性反射表面的反射系数在整个相关光谱中基本上是相同的。因此，单色光源和多色光源都可被用作显示源。LOE具有可忽略的波长相关性，从而确保具有高分辨率的高质量的彩色图像；
4)由于来自输入图像的每个点都被转换成从反射阵列的很大一部分被反射进观看者的眼睛中的平面光波，对眼睛的精确定位的公差可被显著地放宽。如此，观看者可以看到整个FOV，且EMB可显著地大于其他紧凑型显示器配置，和
5)由于来自显示源的光强的大部分被耦合到基片中，并且由于这个被耦合的能量的大部分是“重复利用的”并且被耦合输出且入射到观看者的眼睛中，即使使用具有低功耗的显示源也可以实现相当高亮度的显示器。
图5示出了现有技术的实施例，其中LOE被嵌入在眼镜框40中。显示器光源42和包括光波折叠元件的准直装置44被装配在紧挨着LOE的边缘的眼镜框40的臂部46内部。在显示源是电子元件(例如小的CRT、LCD或OLED)的情况下，显示源的驱动电子元件8可以装配于臂46的后部。手持元件50包括电源、视频源和控制界面，该手持元件50通过电缆52与臂46相连，该电缆52用于传输电力、视频信号、声频信号和控制指令。耳机也可被安装在眼镜中以使得能够使用音频通道。手持元件50可以是便携式DVD、蜂窝电话、移动电视接收器、游戏机、便携式媒体播放器、或任何其他移动显示器设备。由于元件50通常由用户的手来操作，元件50被称作“手持的”，但是元件50也可以是任何其他便携式设备，并且元件50可以被附连到用户的腰带，或被放在口袋、小袋、手提袋中，或被挂在用户的脖子上。除了被嵌入在眼镜框中的细件以外，具有可选的光学变焦功能的微型摄影机54还可被安装在例如框40的前部区域中。摄影机捕获来自外部场景的图像，将视频信号传输到图像处理单元56中，图像处理单元56可被安装在电子单元48内部并且被用户实时地控制。处理过的图像信号接着被传输给显示源42，显示源42将图像通过LOE投射到观看者的眼睛中。可被安装在框上的其他潜在的元件为GPS接收器、朝向传感器和坐标位置传感器，其中从这些传感器接收输入的处理器56提供用于在眼镜上显示的视觉上可感知的输出。
一些目前的HMD技术使用头部位置测量以接近视线，由于眼睛会移动至少±20°，这可能会导致在观看者期望注视的内容和观看者实际注视的内容之间的显著的不一致。所以，在一些应用中，需要将眼球追踪功能集成到HMD中。眼球追踪是测量注视点或眼睛相对于头部的运动的处理。眼球追踪器是用于测量眼睛位置和眼睛运动的装置。用于操作这种装置的最通用的方法是通过利用用于测量眼睛运动的光学方法。来自外部源的光(通常为红外光)被眼睛反射并被摄影机或一些其他专门设计的光学传感器感应。然后对信息进行分析以根据反射的变化提取眼睛转动。基于视频的眼睛追踪器通常使用角膜反射和瞳孔的中心作为随时间的推移而追踪的特征。结果，集成了HMD眼球追踪器的系统将能与传统的HMD一样显示立体虚拟图像，并且也能追踪观看者的“注视方向”。
根据本发明，物理地组合HMD和眼球追踪器这两个光学元件是有利的。此外，还有益的是，如上所述利用同一个LOE将来自显示源的光投射到观看者的眼睛中，以及利用来自眼睛追踪光源的光照射眼镜，并且将从眼睛反射的光收集到检测器中。这两个光学元件会正常工作而不会彼此干扰。为了实现这个目标，本发明中利用了该组合的光学系统的两个主要特性：独立的部分反射表面或小平面，用于将来自光源的光传输到被检查的眼睛和后方；以及具有基本上与用于眼睛追踪的明视区域不同的波长的光。
图6示意性地示出了LOE的表面之一如何被用于照射使用者的眼睛24以用于眼睛追踪的目的。如图所示，来自眼球追踪器64的光线的波长为λtr，该波长λtr与明视区域基本上不同，通常位于近红外(IR)区域，并且优选在850-900nm范围内，来自眼球追踪器64的光线通过光波耦合表面16经由全内反射被耦合到LOE中。在这个实施例中，输入光波和图像光波位于LOE的相对侧。光波通过部分反射表面22a从LOE被耦合出去，并且被引导以照射使用者的眼睛24。在从眼睛24反射后，光线60和62通过相同的部分反射表面22a被耦合回到LOE中，然后通过表面16从LOE被耦合出去，以回到眼睛追踪器64中，其中光波被检测器66成像，检测器66分析入射光线以追踪眼睛瞳孔25的位置。
为了避免重影，重要的是，LOE的表面(在示出的图中为部分反射表面22a)的小平面中仅有一个会反射λtr附近范围内的光波。否则，来自其他表面的光波也会被眼睛反射并且导致检测器66上的噪声，从而严重降低成像眼球的质量。此外，反射表面22a对于LOE的相关角谱内、较低区域内以及较高区域内的明视范围应该是透明的。
图7和图8分别示出了在入射角为35°和75°时的部分反射表面22a和22b的作为波长的函数的反射率曲线。如图7中所示，反射表面22a在35°的入射角时以20％的反射率反射波长为850nm的光波，而该反射表面22a在两个入射角时对整个明视范围实际上都是透明的。在35°的入射角时，反射表面22b部分地反射在明视范围内的光波，而该反射表面22b在75°的入射角时在明视范围内实际上是透明的，以及在850nm的区域内，该反射表面22b在这两个角度时实际上都是透明的。
图9示出了部分反射表面22a和22b在550nm的波长时的作为入射角的函数的反射率曲线。如图所示，对于表面22b在该图中存在两个重要的区域：在65°到85°之间，其中反射率非常低；和在10°到40°之间，其中反射率随着入射角的增加而单调增加，如LOE的常规操作所需要的那样。对于部分反射表面22a，反射率在较低和较高相关角区域内都是可忽略的。图7至图9实际上解释了反射表面22a单独用于眼球追踪，并且在明视区域内一点也不干扰LOE的通常操作。此外，反射表面22b对850nm附近的光谱区域基本上是透明的，从而不会干扰眼球追踪的光学操作。所有其他的部分反射表面都被设计为以与反射表面22b类似的方式起作用。即，其他小平面对850nm的光谱区域也都是透明的，并且具有明视区域内的光学性能，如将LOE用作HMD的组合器的光学设计所需要的那样。
应该提出的另一个问题是对于单独的表面也可能有重影的可能性。如图10中所示，来自眼睛24中的单个点的两束不同的光线都通过LOE成像。然而，它们的光学特性是不同的：光线68仅由LOE的外表面28和30中的每一个反射一次，而光线70由每个表面反射两次。结果，这两束光线从部分反射表面22a到反射表面16具有不同的光路，因此它们不能被一起使用以在检测器66处形成波长λout的图像。从而，由外表面28、30反射两次的光线必须由检测器66阻挡。
图11示出了空间滤光器72如何阻挡这些不需要的光线，该空间滤光器72被放置在反射表面16上。即，光线74不再被表面16反射以经由追踪器64进入检测器66中，而是继续在基片内部传输，并且最后在LOE的边缘处被吸收。为了避免干扰来自显示源的入射光波，重要的是，滤光器72对于波长为λtr的光波应该是透明的，而对明视范围仍然是反射的，其中该显示源生成了被LOE投射到观看者的眼睛中的图像。
图12示出了在15°和35°的入射角时的滤光器72的作为波长的函数的反射率曲线。如图所示，该滤光器对于明视范围是高反射的，而对于850nm附近的光谱范围基本上是透明的。
上述关于反射表面16的实施例是用于将入射光波耦合到基片内的方法的示例。然而，入射光波也可通过其他光学方式被耦合到基片中，所述光学方式包括但不限于折叠棱镜、光纤束、衍射光栅和其他方案。在前述出版物中描述的这些方法中的一些中，LOE的入射表面不是反射表面而是透明孔径。在这些情况下，需要滤光器对波长为λtr的光波是反射的，而对明视范围仍然是透明的。
图13示出了在15°和35°的入射角时的滤光器72的作为波长的函数的反射率曲线。如图所示，该滤光器72对明视范围基本上是透明的，而对850nm附近的光谱范围是反射的。
图14中示出了具有光源的显示源的组合，用于使用波长为λtr的光波来照射眼睛追踪器。如图所示，从光源78发出的并且具有明视光谱内的波长的s偏振入射光波80被与光导83相关联的反射二向色表面82(例如，光分束器)反射，然后通过光导84的下表面86被耦合到组合器(combiner)85的光导84中，其中该组合器通常由光波透射材料组成。在光波从偏振分束器88被反射出去以后，光波通过表面90从光导84被耦合出去。然后，照射硅基液晶(LCOS)92的亮(bright)像素的光波穿过动态的四分之一波长延迟片94，被LCOS92的反射表面反射，返回以再次穿过该延迟片94，并且通过表面90再次进入光导84。此时的p偏振光波穿过偏振分束器88，并且通过表面96从光导84被耦合出去。然后，该光波穿过第二个四分之一波长延迟片98，被组件100(例如透镜)在其反射表面102处准直，返回以再次穿过该延迟片98，并且通过表面96再次进入光导84。此时的s偏振光波被反射出偏振分束器88并且通过组合器85的上表面104离开光导。此外，s偏振入射光波106穿过二向色表面82，被耦合到光导84中，直接穿过偏振分束器88，然后通过上表面104从光导84被耦合出去，其中该s偏振入射光波106具有光照射光源107的波长，位于眼球追踪器108中并且具有不同于明视光谱的光谱，优选在近红外(IR)区域中。对于相关角谱，二向色表面82对于明视光谱具有高反射率，而对于光波106的光谱具有高透射率。
两个光谱上分离的s偏振入射光波80和106现在通过全内反射被耦合穿过LOE的反射表面16。光波80用于形成被部分反射表面22a-22e投射到观看者的眼睛24中的虚拟图像，而光波106用于为了眼睛追踪而照射眼睛24。具有波长λtr的光波106由眼睛24反射，通过部分反射表面22a再次被耦合到LOE中，通过反射表面16从LOE被耦合出去，并且如图所示，再次穿过偏振分束器88并且穿过二向色表面82，以及被耦合到眼球追踪器108中，在眼球追踪器108中，光波106被聚焦到检测器110上。
图15示出了图14中的偏振分束器88的反射率图。如图所示，分束器88在明视范围内对于s偏振和p偏振分别具有高反射率和低反射率，而对波长为λtr的s偏振光具有高透射率。
在到目前为止所描述的所有配置中，光学反射器16用于将来自显示源的具有明视范围内的波长的光波、以及来自眼球追踪器108的波长为λtr的光波通过全内反射耦合到LOE中。然而，还存在如下一些配置，其中不同的耦合元件用于分别耦合来自显示源的光波和来自眼球追踪器的光波。这些配置包括，但不限于，两个不同的元件，其中第一个元件对于明视范围基本上是透明的，而对于波长为λtr的光谱范围是反射的，以及第二个元件对于波长为λtr的光谱范围基本上是透明的，而对于明视范围是反射的。
在到目前为止所描述的所有配置中，两个部分反射表面22a和22b是横向分离的。然而，还存在如下一些配置，其中，出于紧凑性的原因或者为了放大光学系统的EMB，需要使两个表面靠近彼此。
图16示出了第一部分反射表面22a和第二部分反射表面22b，第一部分反射表面22a被涂覆在指向基片20的一侧的表面上，第二部分反射表面22b被涂覆在指向基片20的另一侧的表面上。这两个表面是光学上相连的，并且被粘合层112横向分离。通常，粘合层112的厚度大约为10μm；从而，这两个表面可被认为在光学上被设置于同一个位置。如图所示，分别来自眼球追踪器108和显示源92(参见图14)的两束不同的光线116、118通过耦合反射表面16被耦合到基片20中，然后分别通过部分反射表面22a和22b从基片20朝向观看者的眼睛24被耦合出去。
在上文中所述的所有实施例中，来自眼球追踪器的光以及来自显示源的光都通过同一个耦合输入元件被耦合到基片中。然而，还存在如下一些实施例，其中，出于简化的原因或者由于几何约束，需要使眼球追踪器和显示源分离，从而，两个不同的光波将在两个不同的位置处照射到基片上。
图17示出了如下的系统，其中来自眼球追踪器120和显示源122的光波116和118分别通过两个不同的耦合输入元件124和126被分别耦合到基片20中。当耦合输入元件124是简单的反射表面时，耦合输入元件126是二向色分束器。假设表面124和126与基片20的主表面26之间的角度约为30°。
图18示出了图17的偏振分束器126的反射率图。如图所示，分束器126对于在30°的入射角时的在明视范围内的s偏振光具有高反射率，而对于在相同角度时的波长为λtr的s偏振光具有高透射率。结果，波长为λtr的光波116通过反射表面124被耦合到基片中，然后以可忽略的干扰穿过元件126。
在上述现有技术的出版物中所描述的一些方法中，LOE的入射表面不是反射表面，而是透明孔径。在这些情况下，需要使第二个孔径对于波长为λtr的光波是反射的，而对于明视范围仍然是透明的。
至此，假设眼球追踪器的主要目的是测量眼睛的位置和眼睛的运动。然而，当观看者的眼睛的眼睑闭合时，从眼睛反射的光波的图案显著地改变。眼球追踪器可容易地检测观看者的眼睑是打开的还是闭合的。由于图5所示的基于LOE的眼镜具有透视功能，因此可将基于LOE的眼镜用于汽车应用，其中基于LOE的眼镜在驾驶时和在导航任务中可潜在地协助驾驶，或者可在能见度低的状况期间将热图像投射到司机的眼睛中。除了这些任务以外，结合有眼球追踪器的基于LOE的眼镜还可用作疲劳驾驶警报单元，即，眼球追踪器设备可检测司机的眨眼模式并且确定司机的眼睛在眨眼之间保持闭合了多长时间。从而，该系统可推断出司机已经不再警觉，并且就这种情况提供警告。

Claims (30)

1.一种光学系统，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。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，第一光谱不同于第二光谱。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，第一光谱在近红外区域中。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，第二光谱在明视范围中。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，耦合到该基片内部的光波是第一角谱和第二角谱的光波，并且位于第一角谱内的角度小于位于第二角谱内的角度。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其中，第一部分反射表面对位于第一光谱且第一角谱内的光波是部分反射的，并且对位于第二光谱且第一角谱和第二角谱内的光波基本上是透明的。
7.根据权利要求5所述的光学系统，其中，第二部分反射表面对位于第二光谱且第一角谱内的光波是部分反射的，并且对位于第一光谱且第一角谱和第二角谱内的光波、以及位于第二光谱且所述第二光谱内的光波基本上是透明的。
8.根据权利要求6或7所述的光学系统，其中，第一部分反射表面和第二部分反射表面将来自光源和显示源的光分别从该基片耦合出至观看者的眼睛中。
9.根据权利要求6所述的光学系统，其中，第一部分反射表面通过全内反射将从观看者的眼睛反射的并且位于第一光谱内的光波耦合到该基片中。
10.根据权利要求9所述的光学系统，还包括眼球追踪器，其中所述光源是所述追踪器的一部分。
11.根据权利要求10所述的光学系统，其中，光学装置将从观看者的眼睛反射的光波从该基片耦合出至所述眼球追踪器中。
12.根据权利要求11所述的光学系统，还包括附连到眼球追踪器或嵌入在眼球追踪器中的光学检测器，其中，被耦合到眼球追踪器中的光波被聚焦到该检测器中。
13.根据权利要求11所述的光学系统，还包括第一传输光导，其中，来自光源和显示源的光波通过该传输光导被耦合到该基片中。
14.根据权利要求10所述的光学系统，其中，该传输光导是偏振分束器。
15.根据权利要求13所述的光学系统，还包括投射位于第二光谱中的光波的第二光源。
16.根据权利要求15所述的光学系统，还包括第二传输光导，其中，来自第一光源和第二光源的光波通过第二传输光导被耦合到第一传输光导中。
17.根据权利要求16所述的光学系统，其中，第二传输光导是二向色分束器。
18.根据权利要求15所述的光学系统，其中，显示源是LCOS。
19.根据权利要求18所述的光学系统，其中，LCOS被来自第二光源的光波照射。
20.根据权利要求1所述的光学系统，还包括光学滤光器，该光学滤光器位于用于将光波耦合到该基片中的装置处。
21.根据权利要求20所述的光学系统，其中，该光学滤光器对第一光谱是反射的，并且对第二光谱基本上是透明的。
22.根据权利要求20所述的光学系统，其中，该光学滤光器对第二光谱是反射的，并且对第一光谱基本上是透明的。
23.根据权利要求1所述的光学系统，其中，第一部分反射面和第二部分反射表面在横向上彼此分离。
24.根据权利要求1所述的光学系统，其中，第一部分反射表面和第二部分反射表面彼此相邻地设置。
25.根据权利要求1所述的光学系统，其中，部分反射表面阵列中的至少一个表面对位于第二光谱且第一角谱内的光波是部分反射的，并且对位于第一光谱且第一角谱和第二角谱内的光波、以及位于第二光谱且第二角谱内的光波基本上是透明的。
26.根据权利要求1所述的光学系统，还包括第二光学装置，该第二光学装置用于通过全内反射将光波耦合到该基片中，其中，来自第一光源的光波和来自显示源的光波分别被第一光学装置和第二光学装置通过全内反射而耦合到该基片中。
27.根据权利要求26所述的光学系统，其中，来自第一光源的光波和来自显示源的光波以给定的入射角照射到两个光学装置之一上，并且两个光学装置之一对于所述入射角的在明视范围内的光波具有高反射率，而对于所述入射角的来自第一光源的光波具有高透射率。
28.根据权利要求26所述的光学系统，其中，来自第一光源的光波和来自显示源的光波以给定的入射角照射到两个光学装置之一上，并且两个光学装置之一对于所述入射角的在明视范围内的光波具有高透射率，而对于所述入射角的来自第一光源的光波具有高反射率。
29.根据权利要求10所述的光学系统，其中，眼球追踪器检测观看者的眨眼模式。
30.根据权利要求29所述的光学系统，其中，眼球追踪器用作疲劳驾驶警报单元。
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