СИСТЕМА И СПОСОБ ПРОЕЦИРОВАНИЯ НА ГЛАЗ
EYE PROJECTION SYSTEM AND METHOD

Область техники
Изобретение относится к проецированию изображений на сетчатку глаза и, более конкретно к способам проецирования на глаза пользователя изображений чистой/расширенной реальности.
Уровень техники
Наголовные или иные проекционные системы для проецирования виртуальной и/или расширенной реальности на глаз (глаза) пользователя становятся все более популярными. Такие системы во многих случаях сконфигурированы, как очки, надеваемые на голову и обеспечивающие проецирование изображений на глаза пользователя для создания для него изображения/видеопроекции виртуальной реальности. С этой целью некоторые из известных систем направлены на проецирование на глаза пользователя только изображений виртуальной реальности, при котором попадание света от внешней среды в глаз (глаза) пользователя блокируется, тогда как другие системы направлены на обеспечение восприятия расширенной реальности, при котором свет от внешней среды может проходить к глазам, причем формируемое изображение дополняется изображениями/видео, проецируемыми на глаза системами проецирования изображений.
Например, в патентной заявке США №2013044042 описано электронное устройство, содержащее оправу, сконфигурированную для ношения на голове пользователя. Оправа может содержать перемычку, сконфигурированную для удерживания на носу пользователя, и налобную часть, соединенную с перемычкой и отходящую от нее. Эта часть сконфигурирована для накладывания на одну сторону лба пользователя. Оправа может дополнительно содержать дужки, каждая из которых соединена с налобной частью и имеет свободный конец. Дужка может быть позиционирована у виска пользователя так, что ее свободный конец будет находиться у уха пользователя. Устройство может содержать также прозрачный дисплей, прикрепленный к оправе с примыканием к налобной части. Прикрепленный к оправе вход дисплея сконфигурирован для приема от пользователя входных сигналов, ассоциированных с реализуемой функцией. Относящаяся к функции информация может быть отображена на дисплее.
В патенте США №7936519 описан наголовный дисплей, содержащий оправу типа очковой, надеваемую на голову наблюдателя, и два дисплейных устройства, каждое из которых содержит устройство для генерирования изображений и световодное средство, которое установлено на устройстве для генерирования изображений со смещением от средней плоскости лица наблюдателя и на которое падают пучки, исходящие от указанного устройства. Эти пучки проходят через данное средство и выводятся из него в направлении к зрачку наблюдателя.
В патенте США №8289231 рассматривается наголовный дисплей виртуального изображения, который имеет компактные размеры и малую массу и содержит высококачественную оптическую систему, обеспечивающую возможность наблюдения сквозь проецируемое изображение. Для ситуаций, когда эта возможность является нежелательной, может использоваться скользящая световая заслонка. Может быть предусмотрена также настройка фокусного расстояния (например, в пределах от примерно 46 см до бесконечности) для обеспечения фокусировки изображения. Может также иметься настраиваемое оголовье, адаптируемое к голове пользователей. Чтобы облегчить точную настройку положения оптического блока, может быть предусмотрена соответствующая гибкая конструкция. С этой же целью может быть использован механизм на базе ползунка и шарового шарнира. Для обеспечения пользователю возможности речевого ввода может быть предусмотрен встроенный микрофон. Наголовным дисплеем виртуального изображения можно удобно пользоваться в сочетании с обычными или защитными очками, причем он демонстрирует пользователю полезные изображения без блокирования наблюдаемости окружающей среды. Данный дисплей сконструирован с приданием ему приятного внешнего вида, чтобы существенно повысить его приемлемость для пользователей.
В патенте США №8384999 рассмотрен оптический модуль для наголовных дисплеев и других применений. Данный модуль содержит оптическую подложку и оптическую накладку, взаимно сопрягающиеся профилированными поверхностями. По меньшей мере на одной из поверхностей сформирован отражающий слой, а между поверхностями помещен материал с согласованным показателем преломления. Область, которая принимает от проектора проецируемое изображение, направляет лучи, излучаемые проектором, на профилированные поверхности, так что при использовании модуля наблюдатель воспринимает расширенное изображение. Расширенное изображение включает отраженные лучи, идущие от проектора, и пропущенные лучи от объекта, расположенного на стороне модуля, противоположной по отношению к наблюдателю.
Согласно некоторым технологиям положение и движение глаза отслеживаются, чтобы определять фокальную область для пользователя. Технология отслеживания глаз (айтрекинг) раскрыта, например, в статье Hewitt D. Crane and Carroll M. Steele. "Generation-V dual-Purkinje-image eyetracker", APPLIED OPTICS, Vol. 24, No. 4, 15.02.1985, pp. 527-537. Другой пример технологии айтрекинга приведен в патенте США №6943754.
Патентная заявка США №2012154277 раскрывает способ и систему, расширяющие восприятие пользователя благодаря использованию дисплейного устройства, такого как полупрозрачное дисплейное устройство, помещаемое непосредственно перед глазами, или наголовное дисплейное устройство. При этом создается оптимизированное изображение, накладываемое на сцену, находящуюся в поле зрения пользователя. Положение и движения головы и глаз пользователя отслеживаются, чтобы определять фокальную область для пользователя. Часть оптимизированного изображения вводится в фокальную область, соответствующую текущему положению глаз пользователя, с предсказанием следующего положения головы и глаз, после чего часть оптимизированного изображения вводится в фокальную область, находящуюся в новой позиции.
В патенте США №7542210 описано наголовное дисплейное устройство, содержащее держатель, фиксирующий устройство на голове пользователя, светоделитель, связанный с держателем посредством подвижных элементов, проектор изображений, проецирующий изображения на светоделитель, айтрекер, который отслеживает взгляд пользователя, и один или более процессоров. Устройство использует айтрекер и подвижные элементы, вместе с опционным устройством для отслеживания положения головы, чтобы перемещать светоделитель вокруг центра вращения глаза, удерживая его на линии взгляда. Пользователь одновременно видит изображение и окружающее пространство за изображением. Для другого глаза пользователя можно использовать второй комплект из светоделителя, айтрекера и проектора, чтобы создать стереоскопическую виртуальную среду. Дисплей может соответствовать разрешающей способности человеческого глаза. Предложенное устройство формирует изображение с высоким разрешением в направлении при любом направлении взгляда пользователя.
Международная заявка WO 2013/117999 описывает системы, способы и компьютерные программные продукты для айтрекинга. Вариант способа включает направление света на глаз посредством проектора; детектирование, с помощью модуля захвата изображения, отражения от поверхности, ассоциированной с глазом; и определение линии зрения, основываясь на детектированном отражении. В некоторых вариантах, в дополнение к свету (видимому излучению), используется инфракрасное излучение. В определенных вариантах проектор содержит лазер. В других вариантах проектор содержит чип, изготовленный по технологии "жидкие кристаллы на кремнии". В некоторых вариантах поверхностью, ассоциированной с отражением, является роговица, зрачок или сетчатка.
Известные проекционные системы, обеспечивающие формирование виртуальной или расширенной реальности для пользователей, обычно основаны на проецировании изображений (например видеоизображений) на глаза пользователя так, что изображение воспринимается глазом пользователя как находящееся/сфокусированное в плоскости промежуточного изображения, локализованной перед глазами на определенном расстоянии (например, в типичном варианте, на расстоянии нескольких, в частности около четырех, метров от глаза). Фокусирование изображения на небольшом удалении (например равном 4 м) от плоскости промежуточного изображения почти/практически полностью неотличимо и, по существу, эквивалентно фокусированию на бесконечности, особенно применительно к проекционной системе с относительно большим выходным зрачком (например около 15 мм), а также к типичной проекционной системе. Поэтому глубина фокуса подобной проекционной системы также очень большая, так что фокусное расстояние (расстояние до промежуточной плоскости изображения) трудно измерять и точно настраивать. Однако глаза, которые имеют меньший входной зрачок и, соответственно, меньшую глубину фокуса, остаются чувствительными к отклонениям фокусного расстояния проекционной системы. Это приводит к значительной утомляемости глаза и является особенно нежелательным, когда изображение рассматривается обоими глазами, поскольку может иметься расхождение между фокусными расстояниями, с которыми ассоциированы глаза. Промежуточная плоскость изображения, на которую проецируется изображение, может быть расположенной перед глазами реальной плоскостью изображения (т.е. плоскостью, на которую фактически проецируются световые пучки, формирующие изображение) или виртуальной плоскостью изображения (т.е. плоскостью, воспринимаемой глазом пользователя как плоскость, на которую проецируются световые пучки, формирующие изображение). В любом случае, в подобных известных проекционных системах промежуточная плоскость изображения должна быть оптически сопряжена с глазом пользователя. Другими словами, поскольку промежуточная плоскость изображения (виртуальная или реальная плоскость изображения) в типичном варианте находится на определенном, конечном расстоянии перед глазами, она фокусируется на сетчатку глаза, только когда хрусталик глаза сфокусирован на это определенное расстояние.
Существуют два общих подхода к проецированию изображений на глаз. Один из них связан с выходным зрачком системы, а другой - с настройкой межзрачкового расстояния. Основное различие между двумя этими подходами состоит в том, что первый из них обеспечивает однородную интенсивность света по области проекции с очень резкими границами области, тогда как второй подход обеспечивает плавное изменение на границах, но интенсивность изображения не является однородной по области проекции.
Один из главных недостатков известных технологий визуализации виртуальной/расширенной реальности, которые проецируют изображения, воспринимаемые как находящиеся на определенном, конечном расстоянии от глаз пользователя, состоит в возникновении утомляемости глаз и, во многих случаях, головных болей, ассоциированных с тем фактом, что, тогда как объекты в проецируемом изображении могут восприниматься на различных расстояниях от глаза, изображения, принимаемые глазом, фактически расположены/сфокусированы на фиксированном расстоянии от глаз. Это приводит к запутыванию/напряженности механизмов визуального восприятия в мозгу, что ведет к утомляемости глаз и к головным болям.
Другой главный недостаток известных технологий связан с вариациями положения и ориентации глаза относительно проекционной системы (например с вариациями, вызванными перемещением проекционного устройства относительно глаза). Такие вариации фактически изменяют положение, в котором проецируемое изображение воспринимается глазом пользователя, что доставляет значительное неудобство людям, использующим обычные очки виртуальной/расширенной реальности.
Раскрытие изобретения
Изобретение предлагает новую технологию защиты глаза, которая позволяет преодолеть отмеченные недостатки технологий, известных в данной области. Более конкретно, изобретение предлагает новые системы и способы проецирования изображений прямо на сетчатку глаза (без использования внешней по отношению к глазу промежуточной реальной/виртуальной плоскости, на которую проецируются оптические изображения).
Принципы метода проецирования изображений непосредственно на сетчатку глаза более подробно описаны, например, в параллельной международной патентной заявке PCT/IL2014/050210, которая подана заявителем настоящего изобретения и содержание которой включено в данное описание посредством ссылки. Такое проецирование изображений прямо на сетчатку глаза позволяет генерировать изображения на сетчатке с улучшенной глубиной поля и, таким образом, избежать или по меньшей мере значительно ослабить дискомфорт и утомляемость глаза, которые являются последствиями попыток глаза фокусироваться на ошибочные расстояния.
-3
Изобретение, кроме того, предлагает новые системы и способы мониторинга и/или трекинга как положения глаза, так и линии зрения/направления взгляда. Далее, изобретение предлагает новые устройства/проекционные системы, которые способны проецировать изображение (изображения) непосредственно на глаз (глаза) пользователя с компенсацией изменений положения глаз относительно этих устройств, а также с компенсацией изменений направления взгляда. Преимущество изобретения состоит в том, что оно позволяет осуществлять компенсацию с очень высокой скоростью (например за 10 с или даже быстрее), т.е. до того как пользователь сможет заметить любые изменения в положении проекции изображения на сетчатку, обусловленные изменениями положения глаза. Соответственно, изображения могут проецироваться на фиксированную область сетчатки независимо от изменений направления взгляда и/или изменений положения глаза относительно проекционной системы.
Этот результат достигается благодаря новому методу, основанному на оптическом измерении направления оптической оси глаза (именуемого также линией зрения и линией LOS или направлением взгляда). Этот новый подход обладает преимуществами по сравнению с обычными айтрекинговыми системами, которые используют для оценки положения зрачка относительно неподвижного источника света изображения Пуркинье (а также их комбинации). Это объясняется тем, что анализ изображений Пуркинье характеризуется двумя существенными недостатками. Один из них состоит в необходимости фактического анализа изображения, который требует значительного времени и накладывает на само изображение множество ограничений, касающихся паразитной засветки, контраста и шумов. Второй недостаток заключается в том, что глаз не является полностью жестким телом и различные части глаза независимо движутся в небольших пределах, а это приводит к расхождениям между направлением взгляда (его оптической осью) и изображениями Пуркинье, доходящим до ±0,3°. Кроме того, временные шкалы для микросаккадных и треморных движений лежат полностью за пределами диапазона экспозиций обычных камер, что делает невозможным обеспечить адекватно экспонированные кадры без превышения максимальных значений экспозиции, допустимых для глаза, и, следовательно, приводит к постоянным или временным повреждениям глаза.
В этом отношении следует отметить, что для восприятия изображений глазом требуются небольшие саккадные движения (тремор) изображения на сетчатке (в результате саккадных движений глаза). При наличии тремора изображение воспринимается стабильным и локализованным с фиксированной ориентацией (положением/направлением) относительно сетчатки/глаза. Отсутствие треморных движений приведет к состоянию, обычно именуемому усталостью сетчатки. Это условие проявляется в постепенном перцептивном исчезновении статичных частей проецируемых изображений (которые не перемещаются по сетчатке в результате движений, связанных с тремором).
Чтобы решить эту проблему и избежать состояния усталости сетчатки, изобретение предлагает также метод исключения компенсации треморных движений глаза. В этой связи под выражением "фиксированный/определенный участок сетчатки" должно пониматься положение на сетчатке, которое остается фиксированным в степени, совместимой с саккадными движениями глаз, но в некоторых случаях может не быть абсолютно фиксированным и может слегка смещаться вследствие саккадных движений глаз. В связи с этим следует отметить также, что изобретение (которое будет подробно описано далее) обеспечивает компенсацию существенных движений глаза (например ассоциированных с изменениями направления взгляда и/или положения очков на лице), тогда как небольшие движения глаза, такие как саккадные движения (тремор), могут не компенсироваться, но изображение при этом будет восприниматься как полностью стабилизированное в фиксированном положении на сетчатке.
Таким образом, согласно широкому аспекту изобретения предлагается устройство для проецирования на глаз (далее - проекционное устройство), содержащее проекционную систему, сконфигурированную для проецирования светового пучка вдоль траектории распространения пучка к глазу. Проекционная система содержит оптический блок, задающий оптический путь для света внутри этого блока. В свою очередь, оптический блок содержит дефлекторную конструкцию, содержащую один или более регулируемых оптических дефлекторов, установленных на оптическом пути для света и сконфигурированных для задания настраиваемого пути распространения светового пучка между оптическим блоком и глазом. Согласно изобретению один или более оптических дефлекторов сконфигурированы по меньшей мере с тремя (в типичном варианте с четырьмя) настраиваемыми параметрами отклонения и способны влиять на путь распространения пучка к глазу по меньшей мере по трем (в типичном варианте по четырем) степеням свободы, чтобы сделать возможным настройку этого пути. Две из по меньшей мере трех указанных степеней свободы ассоциированы с двумя параметрами ориентации пути распространения пучка к глазу для компенсации изменений направления взгляда, а по меньшей мере одна (в типичном варианте две) из трех (в типичном варианте из четырех) степеней свободы ассоциирована (ассоциированы) с поперечными смещениями пути распространения пучка для компенсации вариаций поперечного положения проекционной системы относительно глаза.
В некоторых вариантах проекционное устройство содержит также контроллер, сконфигурированный для приема данных, характеризующих изменения направления взгляда и вариации поперечного положения проекционной системы относительно глаза, и для настройки параметров отклонения одного или более регулируемых оптических дефлекторов в соответствии с этими данными с целью обеспечения падения светового пучка на определенный участок сетчатки глаза независимо от изменений направления взгляда и вариаций положения проекционной системы.
В некоторых вариантах проекционная система сконфигурирована для проецирования изображения непосредственно на сетчатку глаза. Проекционная система может содержать модуль проецирования изображения (изображений) на сетчатку глаза, содержащий излучательный модуль, сконфигурированный для генерирования светового пучка, подлежащего проецированию на сетчатку, и модулятор светового пучка, установленный на оптическом пути светового пучка. Модулятор светового пучка сконфигурирован для приема данных об изображении, соответствующих одному или более пикселям изображения, и для модуляции светового пучка, чтобы наложить код, соответствующий указанным данным об изображении, на световой пучок для формирования изображения на сетчатке. Более конкретно, проекционное устройство может содержать контроллер проецирования изображения, подключаемый к модулятору светового пучка и сконфигурированный для приема данных об изображении, характеризующих указанное изображение, и приводящий в действие указанный модулятор светового пучка,
В некоторых вариантах по меньшей мере один регулируемый дефлектор в составе дефлекторной конструкции сконфигурирован, как дефлектор для согласования пучка с положением зрачка путем изменения поперечного смещения пути распространения светового пучка к глазу (по одной или двум поперечным осям, перпендикулярным указанному пути распространения пучка). В различных вариантах настройка поперечных смещений пути распространения пучка осуществляется путем изменения угла отклонения дефлектора для согласования пучка с положением зрачка и/или линейного поступательного перемещения его эффективной отклоняющей поверхности. В том случае, когда поперечные смещения пути распространения пучка регулируются (настраиваются) изменением угла отклонения указанного дефлектора, данный дефлектор может быть расположен внутри согласующего компонента системы. Если же поперечные смещения пути распространения пучка регулируются поступательным перемещением отклоняющей поверхности дефлектора для согласования пучка с положением зрачка, данный дефлектор может быть расположен по направлению распространения указанного светового пучка перед согласующим компонентом.
В некоторых вариантах по меньшей мере один регулируемый оптический дефлектор сконфигурирован, как дефлектор для согласования пучка с направлением взгляда с целью настройки ориентации пути распространения светового пучка к глазу. В различных вариантах изменение направления пути распространения пучка осуществляется линейным поступательным перемещением эффективной отклоняющей поверхности дефлектора для согласования пучка с направлением взгляда и/или изменением угла отклонения, обеспечиваемого данной поверхностью. В том случае, когда настройка направления пути распространения пучка осуществляется линейным поступательным перемещением эффективной отклоняющей поверхности указанного дефлектора, данный дефлектор может быть установлен внутри согласующего компонента системы. Если же изменение направления пути распространения пучка осуществляются изменением угла отклонения дефлектора для согласования пучка с направлением взгляда, этот дефлектор может быть расположен по направлению распространения светового пучка перед или за согласующим компонентом относительно направления распространения светового пучка.
В других вариантах один и тот же регулируемый дефлектор сконфигурирован для настройки по степеням свободы пути распространения пучка, ассоциированным и с угловыми отклонениями, и с поперечными смещениями этого пути. Например, поступательное перемещение поверхности отклонения данного дефлектора влияет на поперечное смещение пути распространения пучка, а изменение угла отклонения дефлектора - на ориентацию пути распространения пучка, или наоборот.
В некоторых вариантах проекционное устройство содержит айтрекинговый модуль, сконфигурированный для получения и обработки данных о позиционировании глаза, характеризующих направление взгляда и поперечное положение глаза и предназначенных для использования при настройке пути распространения пучка к глазу. Айтрекинговый модуль может, например, содержать:
- порт излучения, сконфигурированный для обеспечения трекинг-пучка, способного распространяться вдоль оптического пути, заданного оптическим блоком, с взаимодействием с одним или более регулируемыми оптическими дефлекторами и с образованием при падении трекинг-пучка на глаз, в результате его отражения от сетчатки, отраженного пучка излучения, способного распространяться в обратном направлении через оптический блок;
- один или более датчиков, оптически сопряженных с оптическим путем на двух или более его различных отрезках и сконфигурированных для приема указанного пучка излучения и измерения одного или более параметров распространения указанного пучка излучения на указанных двух или более отрезках, и
- айтрекинговый контроллер, подключаемый к указанным одному или более датчикам и к одному или более указанным дефлекторам и сконфигурированный для приема от одного или более датчиков считанных данных, характеризующих по меньшей мере один параметр распространения указанного пучка излучения на указанных двух или более отрезках, а также для обработки считанных данных с определением данных о позиционировании глаза. В некоторых вариантах данные о позиционировании глаза характеризуют расхождение между направлением взгляда и ориентацией пути распространения светового пучка к глазу и расхождение между поперечным положением зрачка глаза и указанным путем.
В определенных вариантах в состав регулируемых оптических дефлекторов входят по меньшей мере два таких дефлектора, установленных последовательно на оптическом пути в системе, задавая два отрезка оптического пути, ассоциированные с отклонением оптического пути двумя указанными дефлекторами. Два или более датчиков установлены в различных позициях и оптически сопряжены с оптическим путем на этих двух отрезках. При этом контроллер может быть сконфигурирован для генерирования операционных команд для каждого из указанных двух дефлекторов с учетом значения параметра распространения пучка, измеренного на соответствующем отрезке оптического пути и ассоциированного с соответствующим дефлектором из двух указанных дефлекторов.
Измеряемый параметр распространения пучка может представлять собой поперечное смещение оси отраженного пучка излучения от заданного номинального положения, а контроллер может быть сконфигурирован для обработки данных, полученных от датчика, с определением положения зоны падения отраженного пучка излучения на датчик и с определением расхождения между указанным положением зоны падения и заданным номинальным положением на датчике, задающим значение указанного параметра распространения отраженного пучка излучения.
В некоторых вариантах контроллер содержит по меньшей мере один замкнутый сервоконтур, который сконфигурирован для связывания одного из дефлекторов из указанных двух дефлекторов с соответствующим указанным датчиком для генерирования операционных команд, обеспечивающих управление соответствующим дефлектором с учетом считанных данных (или параметра распространения пучка), полученных от соответствующего датчика.
Согласно некоторым вариантам единственный или один из датчиков представляет собой датчик направления взгляда, содержащий массив оптических детекторов и выполненный с возможностью принимать указанный пучок излучения вне оптического пути на отрезке, расположенном за местом взаимодействия пучка излучения с дефлектором для согласования пучка с направлением взгляда, являющимся тем из указанных дефлекторов, который ассоциирован с настройкой ориентации пути распространения пучка. Соответственно, информация, получаемая от датчика направления взгляда, характеризует угловое расхождение между направлением взгляда и путем распространения пучка к глазу.
В некоторых вариантах айтрекинговый контроллер содержит контроллер направления взгляда, подключаемый к датчику направления взгляда и к дефлектору для согласования пучка с направлением взгляда. Этот контроллер сконфигурирован для управления указанным дефлектором так, чтобы уменьшить смещение отраженного излучения от центра датчика направления взгляда до уровней ниже заданного порога.
В определенных вариантах контроллер направления взгляда содержит модуль отфильтровывания тремора, сконфигурированный для обработки считанных данных и для отфильтровывания изменений направления взгляда, ассоциированных с треморными движениями глаза. Данному модулю может быть задан порог изменений направления (угловых отклонений) при треморе, При этом данный модуль может быть сконфигурирован для обработки считанных данных, для непрерывного мониторинга угловых отклонений направления взгляда и для функционирования в режиме разомкнутого сервоконтура для угловых отклонений, меньших порога отклонений при треморе, без компенсации отклонений, ассоциированных с треморными движениями, и в режиме закрытого замкнутого сервоконтура для угловых отклонений, превышающих порог отклонений при треморе, с компенсаций отклонений, не ассоциированных с треморными движениями глаза.
В некоторых вариантах порт излучения для трекинг-пучка выполнен с возможностью обеспечения трекинг-пучка в виде промодулированного пучка излучения, а айтрекинговый контроллер содержит по меньшей мере один из следующих компонентов: модуль фазовой синхронизации, сконфигурированный для осуществления фазовой синхронизации информации, полученной от одного или более датчиков, и модуляции трекинг-пучка с подавлением, тем самым, шума, ассоциированного с ИК шумом, воспринятым указанными датчиками, и полосовой фильтр, настроенный на пропускание на длинах волн, соответствующих трекинг-пучку.
В некоторых вариантах единственный или один из датчиков представляет собой датчик положения зрачка, оптически сопряженный с оптическим путем для приема пучка излучения, отраженного от глаза, на отрезке, расположенном за местом взаимодействия пучка излучения с дефлектором для согласования пучка с положением зрачка, являющимся тем из указанных дефлекторов, который ассоциирован с настройкой поперечного положения пути распространения пучка. Соответственно, информация, полученная от этого датчика, характеризует поперечное смещение положения зрачка глаза относительно пути распространения светового пучка к глазу.
Айтрекинговый контроллер может содержать контроллер положения зрачка, подключаемый к датчику положения зрачка и к дефлектору для согласования пучка с положением зрачка. Контроллер положения зрачка сконфигурирован для обработки информации, полученной от датчика положения зрачка, и для управления указанным дефлектором так, чтобы по меньшей мере частично компенсировать поперечное смещение положения зрачка глаза относительно пути распространения пучка.
В некоторых вариантах проекционное устройство содержит две проекционные системы, аналогичные описанной выше, для проецирования изображения на оба глаза пользователя (т.е. первую проекционную систему для проецирования изображения на один глаз пользователя и вторую проекционную систему для проецирования изображения на другой его глаз). В таких вариантах контроллер положения зрачка может быть подключен к датчику положения зрачка первой проекционной системы и ко второму датчику положения зрачка второй проекционной системы и сконфигурирован для детектирования "общих характеристик" в изменениях положения зрачков обоих глаз пользователя для дифференцирования смещений, ассоциированных с движениями глаз, и смещений, ассоциированных с движением проекционного устройства относительно глаз.
Согласно другому широкому аспекту изобретения предлагается айтрекинговый модуль, содержащий:
- порт излучения, сконфигурированный для обеспечения трекинг-пучка;
- оптический блок, выполненный с возможностью направлять трекинг-пучок вдоль траектории распространения пучка к глазу и содержащий по меньшей мере два регулируемых оптических дефлектора, сконфигурированных для настройки ориентации и поперечного положения указанного пути распространения пучка к глазу;
- по меньшей мере два оптических датчика, оптически сопряженных с оптическим путем внутри оптического блока и соответственно ассоциированных с указанными дефлекторами для восприятия пучка излучения, соответствующего отражению в обратном направлении от глаза трекинг-пучка, направленного на глаз, и
- айтрекинговый контроллер, подключаемый к указанным оптическим датчикам для приема поступающей от них информации и сконфигурированный для обработки поступающей информации с определением данных, характеризующих поперечное и угловое отклонения указанного пути распространения пучка от положения зрачка и направления взгляда соответственно.
Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается оптический блок, выполненный с возможностью направлять световой пучок от проекционного устройства на глаз и содержащий по меньшей мере два регулируемых оптических дефлектора, установленных на оптическом пути к глазу и сконфигурированных для обеспечения по меньшей мере четырех степеней свободы при настройке пути распространения светового пучка к глазу. В типичном варианте две из указанных степеней свободы ассоциированы с компенсацией изменения направления взгляда, а две другие степени свободы предназначены для компенсации вариаций положения проекционного устройства относительно глаза
В соответствии еще с одним широким аспектом изобретения предлагается проекционное устройство, содержащее проекционную систему, сконфигурированную для проецирования изображения непосредственно на сетчатку глаза. Проекционная система содержит:
(i) модуль проецирования изображения для проецирования изображения на сетчатку глаза, содержащий излучательный модуль, сконфигурированный для генерирования светового пучка, подлежащего проецированию на сетчатку, и модулятор светового пучка, установленный на оптическом пути светового пучка и сконфигурированный для модулирования светового пучка с формированием изображения на сетчатке, и
(ii) оптический блок, выполненный с возможностью направлять световой пучок на глаз и содержащий по меньшей мере два дефлектора с регулируемыми углами отклонения, установленных на оптическом пути и сконфигурированных с возможностью обеспечения по меньшей мере четырех степеней свободы при настройке пути распространения светового пучка к глазу, при этом две степени свободы ассоциированы с компенсацией изменений направления взгляда, а две степени свободы предусмотрены для компенсации вариаций положения проекционного устройства относительно глаза.
В соответствии с другим широким аспектом изобретения предлагается айтрекинговый модуль содержащий:
(i) оптический модуль, задающий оптический путь для распространения пучка света к глазу и содержащий:
(a) дефлектор для согласования пучка с направлением взгляда, сконфигурированный для настраиваемого изменения направления оптического пути по двум угловым параметрам для компенсирования изменения направления взгляда;
(b) согласующий компонент, содержащий по меньшей мере два пространственно разделенных оптических элемента, задающих главную фокальную плоскость, расположенную между ними, и
(c) дефлектор для согласования пучка с положением зрачка, установленный в главной плоскости и сконфигурированный для настраиваемого смещения оптического пути по двум поперечным направлениям для компенсирования вариаций поперечного положения зрачка глаза;
(ii) ИК источник света, сконфигурированный для генерирования ИК пучка, распространяющегося вдоль оптического пути, взаимодействуя при этом с дефлектором для согласования пучка с направлением взгляда и с дефлектором для согласования пучка с положением зрачка;
(iii) по меньшей мере два оптических датчика, каждый из которых содержит массив детекторов ИК излучения (например два квадратурных датчика) и выполнен с возможностью приема отраженного ИК излучения, которое является частью ИК пучка, отраженного в обратном направлении от сетчатки, при этом в состав указанных датчиков входят:
(a) датчик положения зрачка, сконфигурированный для детектирования отраженного ИК излучения, провзаимодействовавшего с дефлектором для согласования пучка с положением зрачка, и
(b) датчик направления взгляда, сконфигурированный для приема отраженного ИК излучения, провзаимодействовавшего с дефлектором для согласования пучка с направлением взгляда, и
(iv) айтрекинговый контроллер, подключаемый по меньшей мере к двум оптическим датчикам для приема поступающей от них информации и сконфигурированный для обработки полученной информации с определением данных, характеризующих поперечное смещение зрачка глаза относительно пути распространения пучка, и с определением данных, характеризующих расхождение между направлениями взгляда и пути распространения пучка.
В некоторых вариантах изобретения ИК источник в составе айтрекингового модуля выполнен с возможностью обеспечения пучка ИК излучения в виде промодулированного пучка излучения. При этом контроллер направления взгляда содержит модуль фазовой синхронизации, сконфигурированный для осуществления фазовой синхронизации информации, полученной по меньшей мере от одного оптического датчика, и модуляции пучка ИК излучения с подавлением, тем самым, шума, ассоциированного с ИК шумом, воспринятым указанным по меньшей мере одним датчиком.
Следует отметить, что в нижеследующем описании термины "продольная и поперечные оси" используются для обозначения осей и направлений в локальной системе координат для света, проходящего вдоль оптического пути/пути распространения пучка. Поперечные координаты соответствуют двум перпендикулярным осям, ортогональным к направлению распространения пучка света, а продольная координата совпадает с этим направлением.
Используемый в описании термин "дефлектор" соответствует любому оптическому компоненту, который изменяет направление света посредством любого физического эффекта, включая (не ограничиваясь ими) преломление, отражение и дифракцию. Соответственно, термин "регулируемые оптические дефлекторы" относится к регулируемым дефлекторам, в частности к регулируемым дефлекторам пучков излучения. При этом данные термины охватывают дефлекторы различных типов, включая электрооптические и акустооптические дефлекторы, а также регулируемые (настраиваемые) зеркала, управление параметрами отклонения которых можно осуществлять, например, путем подачи на них соответствующего электрического, акустического или любого иного приемлемого управляющего сигнала.
Краткое описание чертежей
Чтобы облегчить понимание изобретения, подробно рассматриваемого далее, и пояснить, как оно может быть реализовано на практике, далее, только в качестве неограничивающих примеров, будут описаны, со ссылками на прилагаемые чертежи, варианты изобретения.
На фиг. 1A-1F представлены блок-схемы, схематично иллюстрирующие проекционные устройства согласно вариантам изобретения.
На фиг. 1G представлена блок-схема способа согласно варианту изобретения, обеспечивающего направление светового пучка, такого как световой пучок для проецирования изображения, на глаз с компенсацией изменений положения глаза и направления взгляда.
На фиг. 2А и 2В представлены блок-схемы, соответствующие примерам конфигурации двух систем проецирования изображений, используемых в проекционном устройстве согласно двум вариантам изобретения.
На фиг. 3А представлена блок-схема, иллюстрирующая айтрекер, который адаптирован для мониторинга положения и направления взгляда, и проекционное устройство, снабженное айтрекером согласно варианту изобретения.
На фиг. 3B-3D представлены блок-схемы, иллюстрирующие способы мониторинга и трекинга линии зрения и положения глаза или другой оптической поверхности/системы.
На фиг. 3Е представлена блок-схема, иллюстрирующая цепь обратной связи согласно варианту изобретения, которая используется для мониторинга/трекинга положения глаза и/или направления взгляда.
Фиг. 4 иллюстрирует очки, снабженные проекционным устройством согласно варианту изобретения.
Фиг. 5А и 5В иллюстрируют два примера использования наголовного дисплея (НД), использующего систему по изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг. 1A-1F представлены блок-схемы, схематично иллюстрирующие проекционное устройство 100 согласно шести вариантам изобретения. Следует отметить, что для облегчения понимания сходные элементы/модули и/или элементы/модули, имеющие сходные функциональности, имеют сходные обозначения на всех чертежах.
Проекционное устройство 100 содержит проекционную систему 101, сконфигурированную для проецирования изображения непосредственно на сетчатку глаза (обозначенного на чертежах, как ГЛАЗ). Данное устройство 100 может быть, например, частью очков расширенной или виртуальной реальности, причем оно может содержать две проекционные системы, такие как проекционная система 101. Каждая из этих систем используется для проецирования светового пучка LB (например светового пучка, в котором закодировано изображение (изображения)) на сетчатку соответствующего глаза человека. Для большей наглядности на чертежах проиллюстрирована только одна проекционная система 101.
Проекционная система 101 содержит оптический блок 150, задающий оптический путь ОР света, распространяющегося внутри этого блока (например между его входным портом (входным зрачком) EN и выходным портом (выходным зрачком) ЕР). Оптический блок 150 содержит дефлекторную конструкцию, расположенную между входным и выходным портами EN и ЕР и содержащую один или более регулируемых оптических дефлекторов (например дефлекторы 130 и 140), находящихся на оптическом пути ОР и сконфигурированных для задания настраиваемого пути РР распространения светового пучка после того, как этот пучок выйдет из выходного порта/зрачка ЕР и будет распространяться в пространстве между оптическим блоком 150 и глазом.
Следует отметить, что термины "входной порт/зрачок" и "выходной порт/зрачок" необязательно относятся к конкретному физическому элементу системы, а служат для обозначения определенных плоскостей (например виртуальной плоскости и/или оптической поверхности), которые пересекают оптический путь ОР (например расположены перпендикулярно к нему) и через которые свет соответственно входит в оптический блок и выходит из него.
Согласно изобретению оптические дефлекторы (например дефлекторы 130 и 140) сконфигурированы по меньшей мере с тремя настраиваемыми параметрами отклонения, которые, например, могут соответствовать настраиваемым углам поворота оптических дефлекторов вокруг одной или двух осей и/или настраиваемым поступательным перемещениям (при сохранении углового положения) вдоль оптического пути в оптическом блоке. Оптический блок 150 (например его дефлекторная конструкция) сконфигурирован(а) таким образом, что по меньшей мере три настраиваемых параметра отклонения влияют на траекторию пути РР распространения пучка, обеспечивая по меньшей мере три степени свободы при настройке пути РР распространения светового пучка LB к глазу. Согласно способу по изобретению по меньшей мере две из степеней свободы, которые контролируются посредством указанных параметров отклонения, ассоциированы с двумя угловыми параметрами: углом PC между направлением пути РР и поперечным направлением в вертикальной плоскости (углом поворота вокруг горизонтальной оси X) и углом YW его поворота в горизонтальной плоскости (вокруг вертикальной оси Y). Это позволяет, задавая параметры отклонения дефлекторов (т.е. создаваемые ими изменения направления), настраивать ориентацию пути РР распространения пучка к глазу так, чтобы компенсировать изменения направления взгляда. Кроме того, согласно изобретению по меньшей мере одна из степеней свободы (в типичном варианте две степени свободы) ассоциируется (ассоциируются) с поперечными смещениями пути РР распространения пучка. Это позволяет настраивать параметры отклонения дефлекторов так, чтобы компенсировать вариации положения проекционной системы 101 относительно глаза.
В типичном варианте дефлекторная конструкция оптического блока 150 содержит по меньшей мере два настраиваемых дефлектора 130 и 140, которые установлены на расстоянии друг от друга с возможностью последовательно взаимодействовать со световым пучком LB, входящим в оптический блок 150, задавая оптический путь ОР этого пучка.
Однако, как это проиллюстрировано, например, на фиг. 1D, в некоторых вариантах, в которых требуется управлять путем РР распространения пучка только по трем степеням свободы, в оптическом блоке может содержаться единственный настраиваемый дефлектор 130, имеющий три регулируемых (настраиваемых) параметра отклонения. В примере по фиг. 1D эти настраиваемые параметры единственного регулируемого дефлектора 130 включают его поступательное перемещение вдоль оптического пути ОР и настройку углов отклонения, обеспечиваемых дефлектором 130 относительно (вокруг) двух осей X и Y поворота. В этом примере дефлектор 130 установлен в оптическом блоке 150 таким образом, что три указанных параметра отклонения обеспечивают управление угловой ориентацией пути РР распространения пучка относительно двух осей, обеспечивая, таким образом, компенсацию изменений направления взгляда в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также компенсацию вертикального или горизонтального смещения положения глаза относительно проекционной системы 101. Компенсация смещения позволяет компенсировать одну из вариаций межзрачкового расстояния у различных людей или вертикальное смещение проекционного устройства 100 относительно зрачка глаза.
В типичном варианте (как это проиллюстрировано на фиг. 1А, 1В, 1С, 1Е и 1F) оптический блок снабжен двумя или более регулируемыми оптическими дефлекторами (например дефлекторами 130 и 140), обеспечивающими по меньшей мере один дополнительный параметр отклонения, т.е. задающими по меньшей мере четыре параметра отклонения. Это позволяет обеспечить по меньшей мере четыре степени свободы для пути РР распространения пучка, причем две из них используются для компенсации изменений направления взгляда по вертикали и горизонтали, а две другие степени свободы обеспечивают компенсацию вариаций положения системы 101 относительно глаза по двум поперечным (вертикальной и горизонтальной) осям X и Y.
В некоторых вариантах проекционное устройство 100 содержит контроллер 164 направления пучка (именуемый также просто контроллером), адаптированный для приема данных (информации), характеризующих (характеризующей) изменения в направлении взгляда и/или изменения положения проекционной системы 101 относительно глаза в поперечных направлениях, и сконфигурированный с возможностью настраивать параметры отклонения регулируемых оптических дефлекторов 130 и 140 в соответствии с этими данными таким образом, чтобы обеспечить падение светового пучка на определенный участок сетчатки глаза независимо от изменений направления взгляда и независимо от изменений положения проекционной системы 101 относительно глаза в поперечных вертикальном и/или горизонтальном направлениях (вдоль осей Y и/или X).
В этой связи должно быть понятно, что в некоторых вариантах изобретения (например в вариантах, сходных с проиллюстрированными на фиг. 1А, 1D, 1Е и 1F), оптический блок 150 (с имеющейся в нем дефлекторной конструкцией) сконфигурирован таким образом, что каждый настраиваемый параметр дефлекторов 130 и/или 140 связан с определенной степенью свободы пути РР распространения пучка (т.е. с его ориентацией в вертикальной и горизонтальной плоскостях или с горизонтальным и вертикальным смещениями), не оказывая влияния на другие степени свободы пути РР распространения пучка. Соответственно, в подобных вариантах контроллер 164 может быть адаптирован для компенсирования изменений направления взгляда путем настройки соответствующего параметра отклонения соответствующего дефлектора 130 или 140 без настройки/изменения состояния других дефлекторов или других параметров отклонения. В таком случае контроллер 164 может быть адаптирован также для компенсирования изменений относительного положения глаза или зрачка в поперечном направлении путем настройки соответствующего параметра отклонения соответствующего дефлектора 130 или 140 без настройки/изменения состояния других дефлекторов или других параметров отклонения.
2
Другими словами, в некоторых вариантах изобретения, таких как проиллюстрированные на фиг. 1А, 1D, 1Е и 1F, параметры отклонения регулируемых дефлекторов, обеспечивающие настройки ориентации (в вертикальной/горизонтальной плоскости) пути РР распространения пучка в соответствии с направлением взгляда, не зависят от настроек поперечного положения пути РР распространения пучка (т.е., по существу, не влияют на это положение). И наоборот, параметры отклонения регулируемых дефлекторов, обеспечивающие настройки поперечного положения (по осям X или Y) пути РР распространения пучка в соответствии с положением зрачка глаза, не зависят от настроек ориентации пути РР распространения пучка. Это свойство, реализованное в определенных вариантах изобретения, далее, для большей конкретности, именуется "свойством независимости". Варианты, реализующие данное свойство, обладают определенными преимуществами. Во-первых, следует отметить, что обычно изменения направления взгляда происходят намного более быстро/часто (например иногда с частотой более 10 раз/с с типичными ускорениями 2000-4000 град./с и длительностями 50-400 мс), чем изменения положения зрачка (которые происходят на временной шкале, соответствующей сотням миллисекунд и обусловлены, в основном, взаимными смещениями глаза и устройства). В этой связи необходимо учитывать следующее: саккады (быстрые скачкообразные движения глаз) обусловлены визуальной и когнитивной нагрузкой на пользователя и поэтому происходят, с вышеупомянутыми параметрами, несколько раз в секунду. Смещения зрачка соответствуют его поперечным движениям и определяются относительным положением глаза и устройства. Наибольший вклад вносят такие параметры, как внешние вибрации и движения (соскальзывания) устройства. Они имеют относительно низкую частоту и являются "общими", что означает, что подобные движения являются сходными для обоих глаз. Поэтому независимость параметров управления настройкой пути распространения пучка относительно положения зрачка от параметров настройки направления этого пути обеспечивает повышенную экономическую эффективность. Действительно, в таком случае быстрорегулируемые оптические дефлекторы и обеспечиваемые ими параметры отклонения требуются только для параметров отклонения, ассоциированных с ориентацией пути распространения пучка (зависящей от направления взгляда), тогда как регулируемые дефлекторы/параметры отклонения для настройки положения зрачка могут быть намного более медленными и, соответственно, намного менее дорогими.
Важное преимущество описанного подхода состоит в том, что он делает возможным использовать оптический блок 150 с существенно пониженным параметром Theta*D, например соответствующим произведению максимальных значений углов отклонения Theta регулируемых дефлекторов и характеристических размеров (диаметров) D дефлекторов. Значение этого параметра всегда является очень важным. Например, в вариантах по фиг. 1D и 1Е, вместо дефлекторов/зеркал, характеризующихся большим произведением Theta*D и мгновенным перемещением пучка, можно использовать регулируемые дефлекторы 130 и/или 140 для поперечного смещения пучка со значительно уменьшенным указанным параметром (произведением Theta*D), т.е. дефлекторы/зеркала с уменьшенной апертурой. Кроме того, в вариантах, реализующих свойство "независимости" согласно изобретению, контроллер 164 может быть сконфигурирован для независимой настройки каждого параметра отклонения на основе данных, характеризующих изменения, ассоциированные с соответствующей степенью свободы (направлением взгляда/положением зрачка). Тем самым устраняется необходимость в использовании исходных данных, ассоциированных с комплексной настройкой нескольких параметров отклонения дефлекторов для компенсации изменения, связанного с одной из степеней свободы.
В некоторых вариантах изобретения проекционная система 101 содержит оптический согласующий компонент 145 (например обеспечивающий согласование сходимости пучка, распространяющегося между двумя оптическими поверхностями). Согласующий компонент 145 может, например, содержать по меньшей мере два оптических элемента 145.1 и 145.2 или две группы оптических элементов, которые имеют соответствующие оптические силы и которые расположены вдоль оптического пути ОР (пути распространения светового пучка LB) в оптическом блоке 150, задавая главную плоскость Р, находящуюся между ними. Следует отметить, что далее выражение "оптические элементы 145.1 и/или 145.2'', используемое в связи с согласующим компонентом 145, относится к отдельным элементам или к группам элементов, обладающих оптической силой, например к двум группам с двумя или более оптическими элементами в группе. Следует отметить также, что выражение "главная плоскость Р оптического блока/компонента" используется в данном описании для обозначения реальной или виртуальной/гипотетической плоскости оптического блока/компонента (например линзы/дефлекторной системы), в которой (на которой) могут рассматриваться имеющими место все преломления/отражения различных лучей, взаимодействующих с оптическим блоком/элементом (или условно имеющими место в случае виртуальных систем или компонентов).
В примерах, проиллюстрированных на фиг. 1A-1F, проекционное устройство содержит, в качестве опции, очковую линзу 102. Можно видеть, что проекционная система 101 оптически сопряжена с очковой линзой 102 так, что свет, выходящий из проекционной системы 101, направляется вдоль пути РР распространения пучка к глазу по меньшей мере одной поверхностью (например отражающей/частично отражающей поверхностью) очковой линзы 102. С этой целью оптическая система может быть расположена позади глаза (например рядом с ухом/щекой пользователя или у дужки очков). Примером отражающей/частично отражающей поверхности линзы 102 может служить криволинейная поверхность, такая как эллиптическое зеркало. Отражающая/частично отражающая поверхность линзы 102 позиционирована на оптическом пути ОР (пути РР) так, что световой пучок фокусируется в месте, совпадающем с точкой поворота сканирующего зеркала/дефлектора 120 (как будет пояснено далее, сканирующее зеркало 120 (см. фиг. 2А) является дефлектором, обеспечивающим сканирование/перемещение светового пучка LB по сетчатке, например, для формирования на ней изображения). При этом положение точки поворота может быть положением реального шарнира сканирующего зеркала или виртуальным положением шарнира, оптически сопряженным с реальным положением посредством согласующего компонента (например компонента 145). Соответственно, шарнирная точка сканирующего дефлектора 120 совпадает с фокусом эллиптического зеркала 102. В результате создается веерообразный пучок лучей у выходного зрачка системы или в сопряженной с ней плоскости, в которой лежит второй фокус системы/оптического блока.
Согласно некоторым вариантам изобретения проекционная система 101 содержит модуль 190 проецирования изображения, сконфигурированный с возможностью выведения светового пучка LB, проецирующего изображение (например светового пучка, промодулированного информацией, соответствующей изображению) так, чтобы он проецировался на сетчатку глаза для формирования на ней изображения. Оптический блок/оптическая система 150 сконфигурирован(а) с возможностью направлять указанный световой пучок LB к глазу (например, в некоторых вариантах, так, чтобы световой пучок LB попадал на глаз после отражения от очковой линзы 102).
Следует отметить, что оптический блок 150 согласно изобретению, который содержит айтрекинговые оптические модули/дефлекторы (например дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда и дефлектор 140 для согласования пучка с положением зрачка, а также, например, согласующую оптику, такую как компонент 145), может быть реализован (сконфигурирован), как автономная айтрекинговая система (которая может использоваться независимо, например, от модуля 190 проецирования изображения).
Как показано на фиг. 1А, оптический блок 150 содержит конструкцию из регулируемых дефлекторов, в которую входят по меньшей мере два дефлектора 130 и 140 с регулируемыми угловыми положениями, что позволяет осуществлять управление/настройку обеспечиваемых ими углов отклонения. Два таких регулируемых дефлектора 130 и 140 установлены вдоль оптического пути ОР в оптическом блоке на расстоянии друг от друга. Каждый из этих двух регулируемых дефлекторов может представлять собой, например, двухкоординатный дефлектор с регулируемыми угловыми положениями, который способен обеспечивать управляемое (управляемую) отражение, преломление или дифракцию и который может быть сконфигурирован, например, как:
единственное зеркало, установленное с возможностью поворота вокруг двух осей, и/или
двухкоординатный электрооптический или акустооптический дефлектор с регулируемыми углами отклонения (система с двукратным прохождением, релевантная только для акустооптического варианта, предназначенного для увеличения угла отклонения или эффективности дифракции), и/или
пара однокоординатных регулируемых дефлекторов (таких как пара механических дефлекторов, регулируемых по одной координате, например наклоняемые зеркала и/или электрооптические или акустооптические дефлекторы, и/или оптические клинья), установленные вдоль оптического пути ОР с возможностью поворота вокруг ортогональных осей.
По меньшей мере два дефлектора с регулируемыми углами отклонения установлены в требуемых положениях вдоль оптического пути ОР так, что они способны обеспечить по меньшей мере три (в типичном варианте по меньшей мере четыре) степени свободы для настройки пути РР распространения светового пучка LB к глазу. Как было отмечено выше, две из этих степеней свободы ассоциированы с компенсацией изменений направления взгляда (т.е. изменений этого направления в вертикальной и горизонтальной плоскостях), а по меньшей мере одна степень свободы (в типичном варианте две степени свободы) предназначена (предназначены) для компенсации вариаций положения проекционного устройства 100 относительно глаза в поперечном направлении, например вариаций положения вдоль вертикальной оси Y и/или горизонтальной оси X.
В конкретном примере, проиллюстрированном на фиг. 1А, по меньшей мере два дефлектора 130 и 140 с регулируемыми углами отклонения являются настраиваемыми зеркалами, регулируемыми по двум угловым координатам. Более конкретно, в этом примере каждый дефлектор представляет собой механически/электрически и/или акустически управляемый дефлектор, например содержащий настраиваемые/наклоняемые зеркала с отражающей поверхностью, установленные на пригодном для этого двухосевом шарнире или иным подходящим образом, позволяющим ориентировать отражающую поверхность в различных направлениях путем поворота вокруг двух осей. Должно быть, однако, понятно, что в общем случае может быть использован любой пригодный дефлекторный модуль, позволяющий настраивать обеспечиваемые им углы отклонения по двум угловым координатам. Такой модуль может содержать, например, механические дефлекторы, образованные отклоняющей свет оптической поверхностью, такой как зеркало, установленное на двухосевом шарнире, и/или двумя зеркалами, каждое из которых установлено по меньшей мере на одноосевом шарнире, и/или электро/акустооптические дефлекторы (углами отклонения которых по двум координатам можно управлять подачей соответствующих напряжений), и/или пригодные акустооптические (например дифракционные) дефлекторные модули, и/или другие известные отклоняющие системы.
В варианте по фиг. 1А в оптическом блоке имеется согласующий компонент 145, который содержит по меньшей мере два оптических элемента (две группы элементов) 145.1 и 145.2, имеющие соответствующие оптические силы. Оптические элементы/группы 145.1 и 145.2 установлены вдоль оптического пути ОР так, что расстояние между ними согласовано с их фокусными расстояниями. Как следствие, главная плоскость Р согласующего компонента 145 расположена на оптическом пути ОР между оптическими элементами 145.1 и 145.2, а ее расстояние до каждого из этих элементов соответствует его фокусному расстоянию. В результате коллимированный световой пучок (которым может быть пучок LB), входящий в согласующий компонент 145 с одной его стороны и взаимодействующий с первым из его оптических элементов (например с элементом/группой 145.1), фокусируется в главной плоскости Р, а затем, после взаимодействия со вторым оптическим элементом согласующего компонента (например с элементом/группой 145.2), выходит с другой стороны компонента 145 снова коллимированным.
Таким образом, согласующий компонент, такой как описанный компонент 145, обладает следующими свойствами: поперечные смещения светового пучка (относительно оптической оси согласующего компонента) вне согласующего компонента преобразуются в главной плоскости этого компонента в соответствующие угловые отклонения направления распространения светового пучка, и наоборот.
Автор изобретения обнаружил, что эти свойства согласующего компонента могут быть использованы для настройки поперечных смещений пути РР распространения пучка света к глазу (в пространстве вне согласующего компонента, а именно между оптическим блоком и глазом) путем установки вдоль оптического пути ОР внутри согласующего компонента 145 (между элементами/группами 145.1 и 145.2) одного или более дефлекторов с регулируемыми углами отклонения. Именно такой вариант изобретения проиллюстрирован схематично на фиг. 1А.
Соответственно, в варианте по фиг. 1А дефлектор 140 пучка с регулируемыми угловыми положениями установлен на оптическом пути ОР внутри согласующего компонента 145 и сконфигурирован, как дефлектор для согласования пучка с положением зрачка. Управляя/изменяя обеспечиваемый им угол отклонения, можно изменять направление оптического пути ОР света в согласующем компоненте 145, что, в свою очередь, приводит к смещению пути РР распространения светового пучка к глазу перпендикулярно его оси, т.е. вдоль одной поперечной оси (например оси X или Y, перпендикулярной к пути РР) или вдоль обеих поперечных осей (X и Y). Другими словами, дефлектор 140 для согласования пучка с положением зрачка способен смещать в поперечном направлении положение, в котором световой пучок LB выходит из выходного порта ЕР проекционной системы 101. Это схематично проиллюстрировано на фиг. 1А лучами RT.
В варианте по фиг. 1А поперечное смещение пути РР распространения пучка достигается изменением углового положения по одной или двум координатам дефлектора 140 для согласования пучка с положением зрачка, расположенного в согласующем компоненте 145, таким образом, что это изменение влияет на ориентацию оптического пути ОР в согласующем компоненте и, следовательно, изменяет поперечное положение (по оси X или Y) пути РР распространения светового пучка к глазу снаружи согласующего компонента 145. С этой целью в некоторых вариантах дефлектор 140 для согласования пучка с положением зрачка может быть однокоординатным дефлектором с регулируемыми угловыми положениями, настраиваемыми по одной угловой координате (в вертикальной или горизонтальной плоскости), т.е. имеющим один управляемый параметр для управления поперечным положением пути РР распространения пучка относительно только одной из поперечных осей (X или Y). Альтернативно, дефлектор 140 для согласования пучка с положением зрачка может быть двухкоординатным дефлектором с регулируемыми угловыми положениями, настраиваемыми по двум угловым координатам (в вертикальной и горизонтальной плоскостях), т.е. имеющим два управляемых параметра для управления поперечным положением пути РР распространения пучка относительно обеих поперечных осей (X и Y).
В некоторых вариантах дефлектор 140 для согласования пучка с положением зрачка установлен в главной плоскости согласующего компонента, так что настройка угла отклонения пучка, отслеживающего положения зрачка, изменяет поперечное положение пути распространения светового пучка к глазу, не влияя на угловую ориентацию этого пути. Тем самым реализуется свойство независимости, достигаемое изобретением.
Таким образом, дефлектор 140 для согласования пучка с положением зрачка может быть поворотным с целью смещения оптического пути ОР светового пучка LB, чтобы компенсировать изменения в положении глаза по отношению к устройству 100. Применительно к проекционной системе 101, установленной на очках расширенной/виртуальной реальности, вариации в относительном положении проекционной системы 101 и глаза могут быть обусловлены различиями в конфигурациях лиц пользователей, использующих такие очки (например в межзрачковом расстоянии и/или высоте переносицы). Кроме того, указанное относительное положение может изменяться при смещении устройства 100 относительно лица пользователя. Дефлектор 140 для согласования пучка с положением зрачка может контролируемым образом отклонять световой пучок LB, чтобы управлять поперечным положением светового пучка LB (при его выходе из выходного зрачка ЕР проекционной системы 101) по одной или двум поперечным координатам (например в вертикальном и поперечном горизонтальном направлениях, т.е. по осям Y и X, которые, по существу, ортогональны пути РР распространения пучка). Управление выходным поперечным положением пути РР у выходного порта ЕР системы 101 позволяет направлять световой пучок LB к зрачку глаза, компенсируя вариации поперечного положения зрачка глаза относительно проекционной системы 101 (например относительно ее выходного порта ЕР).
Как проиллюстрировано фиг. 1А, оптический блок 150 содержит другой регулируемый оптический дефлектор 130, который в этом примере является дефлектором, регулируемым по двум угловым координатам и сконфигурированным для согласования пучка с направлением взгляда. Дефлектор 130 установлен в оптическом блоке на оптическом пути ОР таким образом, что, когда обеспечиваемый им угол отклонения настроен (например путем регулировки углового положения отклоняющей оптической поверхности), он изменяет направление пути РР распространения светового пучка LB к глазу, т.е. ориентацию этого пучка. Соответственно, дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда служит для компенсации изменений направления взгляда в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
С этой целью в вариантах изобретения, которые содержат согласующий компонент 145, дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда может представлять собой дефлектор с регулируемыми угловыми положениями, находящийся на оптическом пути ОР в оптическом блоке 150 вне согласующего компонента 145 (перед ним или за ним). Такое расположение проиллюстрировано на фиг. 1A-1F. Соответственно, независимо от положения дефлектора (перед согласующим компонентом 145 или за ним), регулировка/изменение угла отклонения (ориентации дефлектора) влияет на ориентацию (в вертикальной и горизонтальной плоскостях) пути РР распространения пучка.
Как станет понятно специалистам в соответствующей области после ознакомления с изобретением, дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда может быть установлен до или после согласующего компонента 145 таким образом, что изменение создаваемого им угла отклонения не влияет на поперечные смещения/положения пути РР распространения пучка к глазу. Соответственно, такие варианты реализуют свойство независимости, описанное выше. Например, в определенных вариантах дефлектор 130 представляет собой оптический дефлектор с регулируемыми угловыми положениями, расположенный перед согласующим компонентом 145, в фокальной плоскости первого оптического элемента/первой группы 145.1 оптических элементов согласующего компонента 145, или за согласующим компонентом 145, в фокальной плоскости второго оптического элемента/второй группы 145.2 оптических элементов согласующего компонента 145. В результате изменение углового положения указанного дефлектора 130 влияет на ориентацию (на угол PC наклона в вертикальной плоскости и/или угол YW наклона в горизонтальной плоскости) пути РР распространения пучка, не влияя на поперечное положение пути РР (по осям X и/или Y).
Альтернативно (как показано на фиг. 1F), в некоторых вариантах, которые содержат согласующий компонент 145, дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда может представлять собой регулируемый дефлектор пучка, расположенный на оптическом пути ОР внутри согласующего компонента 145 и сконфигурированный с возможностью линейного поступательного перемещения, так что его взаимодействие с оптическим путем ОР приводит к поперечному смещению оптического пути ОР внутри согласующего компонента (например смещает оптический путь по осям X и/или Y), что влияет на угловую ориентацию пути РР распространения светового пучка за согласующим компонентом 145. Как станет понятно специалистам в соответствующей области после ознакомления с изобретением, если дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда выполнен/установлен так, что его поступательное перемещение внутри согласующего компонента сохраняет его положение в главной плоскости Р согласующего компонента 145 (или вблизи нее), поперечные смещения оптического пути ОР в согласующем компоненте, на которые влияют такие смещения, будут преобразованы в чисто угловое изменение (по углам PC и/или YW) ориентации пути РР распространения пучка за согласующим компонентом 145 (без какого-либо влияния на поперечные смещения пути РР распространения пучка). Таким образом, обеспечивается независимость между угловыми параметрами положения дефлектора 130 и поперечным положением (по осям X, Y) пути РР распространения пучка.
В конкретном неограничивающем примере по фиг. 1А дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда установлен перед согласующим компонентом 145 так, что он может обеспечивать управление ориентацией оптического пути ОР, вдоль которого световой пучок LB распространяется к глазу. Следует, однако, отметить, что в различных конфигурациях оптической схемы проекционной системы 101 согласно другим вариантам изобретения дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда может устанавливаться в различных положениях вдоль оптического пути ОР. Например, неограничивающие варианты по фиг. 1А-1Е могут быть модифицированы таким образом, что дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда будет установлен за согласующим компонентом 145. Фактически, установка дефлектора 130 перед согласующим компонентом может быть эффективной в терминах требуемых размеров дефлектора 130, поскольку такая установка в типичном случае позволяет использовать намного меньший дефлектор по сравнению с таким же дефлектором, установленным за согласующим компонентом 145. Таким образом, первая из этих опций является предпочтительной для некоторых вариантов изобретения, поскольку дефлектор, имеющий меньшие размеры и массу, в типичном варианте является более экономически эффективным.
Таким образом, дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда позволяет управлять ориентацией (углами PC и/или YW) пути РР распространения светового пучка LB к глазу, так что путь РР подходит к глазу с фиксированной угловой ориентацией относительно линии LOS зрения (направления взгляда). Соответственно, когда пользователь устройством 100 изменяет направление своего взгляда (изменяет ориентацию линии LOS), дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда может обеспечить смещение оптического пути ОР так, что световой пучок LB будет направлен к зрачку глаза с той же ориентацией, которая имела место до того, как направление взгляда изменилось. Таким образом, пучок будет проецироваться/фокусироваться на том же участке сетчатки. Следовательно, изображение, проецируемое световым пучком LB на сетчатку, удерживается в том же положении на сетчатке, даже когда пользователь изменяет направление взгляда.
В типичном варианте дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда сконфигурирован, как двухкоординатный регулируемый дефлектор, которым можно управлять, настраивая отклонение светового пучка по двум угловым координатам таким образом, чтобы компенсировать изменения направления линии LOS (направления взгляда) в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Соответственно, положение изображения, проецируемое проекционной системой 101 на сетчатку, может оставаться зафиксированным независимо от изменений направления взгляда в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Таким образом, как это описано выше со ссылками на фиг. 1А и будет описано далее со ссылками на фиг. 1B-1F, регулируемые оптические дефлекторы 130 и 140 представляют собой средство для отклонения положения пути РР распространения светового пучка LB к глазу в поперечных направлениях (по осям X и Y) и для изменения направления пути РР (по углам PC и YW). Это позволяет компенсировать как изменения поперечного положения глаза/зрачка, так и изменения ориентации линии LOS зрения (направления взгляда) и делает возможным поддерживать проекцию изображения (формируемого световым пучком LB), по существу, в фиксированном положении на сетчатке, даже если проекционное устройство 100 смещается относительно глаза или пользователь изменяет направление линии LOS (своего взгляда). В типичном варианте дефлектор 140 для согласования пучка с положением зрачка обеспечивает по меньшей мере одну, а в типичном варианте две степени свободы при задании положения светового пучка LB, а дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда обеспечивает две другие степени свободы при задании направления этого пучка. Таким образом, рассмотренные три или четыре степени свободы включают по меньшей мере одну (по вертикальной координате X), а в типичном варианте две поперечные степени свободы (по координатам X и Y), которые обеспечивают компенсацию изменений положения зрачка, и две угловые степени свободы, обеспечивающие настройку ориентации пучка по углу PC в вертикальной плоскости и по углу YW в горизонтальной плоскости для компенсации изменений направления взгляда.
Как показано на фиг. 1В, в некоторых вариантах изобретения дефлектор 140 для согласования пучка с положением зрачка также может быть расположен вне согласующего компонента 145 (как вариант, система может не содержать согласующего компонента 145). Например, дефлектор 140 для согласования пучка с положением зрачка может быть установлен вблизи выходного порта/зрачка ЕР системы 101.
Проекционное устройство 100, проиллюстрированное на фиг. 1В, функционирует аналогично устройству по фиг. 1А, за исключением того, что регулируемый оптический дефлектор 140 представляет собой дефлектор с регулируемыми угловыми положениями, установленный на оптическом пути ОР за согласующим компонентом 145 (т.е. вне согласующего компонента, а не между его оптическими элементами/группами 145.1 и 145.2). Другие элементы/модули проекционного устройства 100 по фиг. 1В могут быть аналогичными соответствующим элементам/модулям, проиллюстрированным и описанным выше со ссылками на фиг. 1А, так что эти элементы не будут описаны далее со ссылками на фиг. 1В.
В неограничивающем примере по фиг. 1В дефлектор 140 для согласования пучка с положением зрачка сконфигурирован для функционирования совместно с дополнительным дефлектором пучка (например со статическим дефлектором пучка/отражающей поверхностью BD). При этом форма/кривизна отражающей/преломляющей поверхности (отражающих/преломляющих поверхностей) дополнительного дефлектора BD, сконфигурированного для преобразования углового отклонения пучка LB, которое создает дефлектор 140 для согласования пучка с положением зрачка, в поперечное смещение пучка LB. Другими словами, дополнительный дефлектор BD пучка сконфигурирован таким образом, что изменение/настройка ориентации дефлектора 140 будет влиять на поперечное смещение пути распространения пучка LB к глазу (т.е. будет смещать путь распространения пучка по координате X и/или Y, как это показано на фиг. 1В). Это смещение будет производиться таким образом, чтобы отслеживать положение зрачка глаза. Данное условие можно выполнить, например, задавая положение и фокусное расстояние (оптическую силу) дополнительного дефлектора BD пучка таким образом, что его фокальная плоскость, по существу, совпадает с плоскостью, в которой находится дефлектор 140 для согласования пучка с положением зрачка.
В вариантах, проиллюстрированных на фиг. 1А и 1В, дефлектор 140 пучка, который, в основном, обеспечивает поперечные смещения пути РР распространения пучка, позиционирован по ходу лучей за дефлектором 130 пучка, который, в основном, обеспечивает изменения ориентации пути РР распространения пучка. Более конкретно, в этих примерах дефлектор 140 позиционирован внутри согласующего компонента 145 (например между его оптическими элементами 145.1 и 145.2) или за согласующим компонентом 145. Такое выполнение может требовать использования дефлектора 140 значительных размеров, чтобы он мог перекрыть угловой диапазон дефлектора 130 пучка. Поэтому такой дефлектор является не столь эффективным в тех вариантах проекционной системы 101 согласно изобретению, в которых требуется, чтобы система имела компактный размер и низкую стоимость.
В связи с этим фиг. 1С-1Е иллюстрируют варианты изобретения, в которых дефлектор 140 пучка, в основном, обеспечивающий поперечные смещения пути РР распространения пучка, расположен перед дефлектором 130 пучка или выполнен заодно с ним и позиционирован перед согласующим компонентом 145 в случае, если этот компонент имеется в системе. Во всех этих вариантах дефлектор 130 пучка сконфигурирован подобно описанному выше со ссылкой на фиг. 1А. Более конкретно, во всех этих вариантах дефлектор 130 пучка является регулируемым по углу (поворотным) оптическим дефлектором, установленным перед согласующим компонентом 145, предпочтительно в фокальной плоскости первого оптического элемента/первой группы 145.1 согласующего компонента 145, и, в основном, обеспечивает настройку ориентации пути РР распространения пучка.
В варианте изобретения, представленном на фиг. 1С, дефлектор 140, который, в основном, обеспечивает настройку поперечного смещения пути РР, представляет собой дефлектор с регулируемыми угловыми положениями, установленный на оптическом пути ОР в оптическом блоке 150 перед дефлектором 130 (который, в основном, обеспечивает настройку ориентации пути РР распространения пучка). Дефлектор 140 является регулируемым (поворотным) оптическим дефлектором, настраиваемым по одной или двум угловым координатам (в вертикальной и/или горизонтальной плоскостях) для смещения поперечного положения пути РР распространения пучка относительно одной или двух поперечных осей X и Y. Действительно, как это можно видеть из хода RT лучей на фиг. 1С, изменение углового положения дефлектора 140 пучка влияет на поперечное положение, в котором световой пучок LB падает на дефлектор 130 пучка и, соответственно, на положение в поперечном направлении, в котором световой пучок входит в согласующий компонент 145, влияя, тем самым, на поперечное положение пути РР распространения светового пучка после того, как он выходит из согласующего компонента 145.
Однако, как можно также видеть из хода RT лучей на фиг. 1С, изменение параметра ориентации (параметров ориентации) дефлектора 140 пучка не только влияет на поперечное положение, в котором световой пучок входит в согласующий компонент 145, но также и на направление распространения светового пучка LB (до того как он входит в согласующий компонент 145), влияя, таким образом, на угловую ориентацию пути РР распространения пучка. В этом варианте, хотя для управления поперечным положением пути РР может использоваться регулируемый оптический дефлектор 140 меньших размеров по сравнению с вариантами по фиг. 1А и 1В, параметры отклонения оптического дефлектора 140 не являются независимыми от степеней свободы пути РР, соответствующей угловой ориентации (в вертикальной и/или горизонтальной плоскостях). Поэтому настройка параметров отклонения, связанных с положением зрачка, посредством дефлектора 140, чтобы осуществить настройку по степеням свободы, ассоциированным с поперечным положением пути РР, может потребовать также настройки, посредством дефлектора 130, параметров, ассоциированных с направлением взгляда, чтобы компенсировать влияние изменения положения дефлектора 140 на ориентацию пути распространения пучка, и наоборот. Этого можно достичь, например, использованием контроллера 164, сконфигурированного с возможностью регулировать положения обоих дефлекторов 130 и 140 так, чтобы компенсировать каждое изменение направления взгляда или положения зрачка глаза.
Однако, как было отмечено выше, в некоторых вариантах изобретения желательно, чтобы параметры отклонения каждого из дефлекторов 130 и 140 были ассоциированы исключительно с настройкой только определенных степеней свободы пути РР распространения пучка. Более конкретно, желательно, чтобы два параметра отклонения дефлектора 130 (ассоциированные с характеристиками ориентации по двум координатам) соответствовали только степеням свободы, соответствующим угловой ориентации пути распространения пучка, ассоциированной с углами наклона направления взгляда в вертикальной и горизонтальной плоскостях, тогда как один или два параметра отклонения, ассоциированный (ассоциированные) с характеристиками отклонения по одной или двум поперечным координатам дефлектора 140, соответствовал(и) только степеням свободы пути распространения пучка, соответствующим поперечному положению (по вертикальной и/или горизонтальной координатам) глаза/зрачка. Преимущество такого выполнения состоит в том, что оно позволяет сконфигурировать каждый из дефлекторов так, чтобы он соответствовал конкретным характеристикам движений/положений. Например, это позволяет использовать медленный и недорогой дефлектор 140 для настройки поперечного положения пути РР распространения пучка в соответствии с положением зрачка, а быстрый и эффективный дефлектор 130 для реагирования на изменения направления взгляда, которые могут быть обусловлены, например, быстрым тремором (саккадными движениями).
Далее будут рассмотрены фиг. 1D и 1Е, иллюстрирующие два варианта изобретения, сконфигурированные для реализации свойства независимости, описанного выше. Кроме того, в этих вариантах все регулируемые дефлекторы предпочтительно установлены перед согласующим компонентом 145 и поэтому могут быть относительно небольшими/компактными по сравнению с вариантами, в которых один из дефлекторов установлен внутри согласующего компонента 145 или за ним.
Конкретно, в вариантах по фиг. 1D и 1Е регулируемый дефлектор (регулируемые дефлекторы) 130 сконфигурирован/сконфигурированы для функционирования и как дефлектор для согласования пучка с направлением взгляда, и как дефлектор для согласования пучка с положением зрачка, причем поступательное перемещение дефлектора 130 вдоль оптического пути в оптическом блоке влияет на поперечное смещение пути РР распространения пучка, а изменения его углового положения - на угловую ориентацию этого пути.
Более конкретно, в варианте по фиг. 1D оптический блок содержит только один регулируемый дефлектор 130, имеющий три настраиваемых параметра отклонения, включая два параметра, ассоциированных с ориентацией дефлектора в вертикальной и горизонтальной плоскостях, и один параметр, ассоциированный с поступательным перемещением (например с линейным поступательным перемещением) дефлектора 130 вдоль части оптического блока, расположенной перед ним.
С этой целью дефлектор 130 сконфигурирован таким образом, что его отклоняющая оптическая поверхность может поступательно перемещаться вдоль оптического пути ОР таким образом, что это перемещение вдоль части оптического пути ОР перед (опционным) согласующим компонентом 145 влияет на поперечное смещение (вдоль одной оси, например оси Y) оптического пути ОР за дефлектором 130 до того, как оптический путь входит в данный компонент. Соответственно, как это проиллюстрировано ходом RT лучей на фиг. 1D, изменяется поперечное смещение пути РР распространения пучка вдоль указанной оси (например оси Y) и, тем самым, обеспечивается возможность компенсировать изменения положения зрачка/глаза вдоль той же поперечной оси. Таким образом, в данном варианте регулируемый оптический дефлектор 130 сконфигурирован, как дефлектор, отслеживающий положения зрачка. При этом поперечные смещения пути распространения пучка достигаются поступательным перемещением данного дефлектора вдоль оптического пути ОР в оптическом блоке, чтобы изменить положение точки, в которой световой пучок отклоняется дефлектором 130.
Кроме того, дефлектор 130 сконфигурирован таким образом, что его ориентация регулируется в типичном варианте по двум угловым координатам (углу PC в вертикальной плоскости и углу YW в горизонтальной плоскости). Такая регулировка аналогична описанной выше со ссылкой на дефлектор для согласования пучка с направлением взгляда. Соответственно, изменение углового положения дефлектора изменяет ориентацию светового пучка (оптического пути ОР), входящего в (опционный) согласующий компонент и, следовательно, изменяет также ориентацию пути РР распространения пучка. Это позволяет компенсировать изменения направления взгляда.
Чтобы обеспечить независимость параметра отклонения (поступательного перемещения отклоняющей поверхности), соответствующего настройке поперечного смещения пути РР распространения пучка и ориентации пути РР, дефлектор 130 предпочтительно сконфигурирован таким образом, что его поступательное перемещение осуществляется так, что отклоняющая поверхность дефлектора находится в фокальной плоскости первого оптического элемента 145.1 согласующего компонента 145 или вблизи этой плоскости. Соответственно, поступательное перемещение дефлектора 130 обеспечивает настройку поперечного положения пути РР распространения пучка, не влияя на его ориентацию.
В этом примере оптический блок содержит согласующий компонент 145, а дефлектор 130 расположен по ходу распространения светового пучка через оптический блок перед этим компонентом. Отклоняющие поверхности дефлекторной конструкции (включающей, в качестве опции, помимо регулируемого оптического дефлектора 130, также другие регулируемые оптические дефлекторы, например дефлектор 140 - см. фиг. 1Е) имеют поперечные размеры, по существу, не превышающие 7 мм.
В варианте по фиг. 1Е оптический блок, в основном, аналогичен проиллюстрированному на фиг. 1D и описанному выше, за исключением того, что здесь отслеживание положения зрачка обеспечивается двумя регулируемыми оптическими дефлекторами, способными поступательно перемещаться относительно оптического пути ОР следующим образом: (i) регулируемый оптический дефлектор 130 сконфигурирован (как и в варианте по фиг. 1D) для настройки положения оптического пути по одной поперечной оси (например оси Y), а также для настройки по степеням свободы, ассоциированным с ориентацией оптического пути; тогда как (ii) дополнительный регулируемый оптический дефлектор 140 сконфигурирован таким образом, что его отклоняющая оптическая поверхность способна поступательно перемещаться вместе с оптической поверхностью дефлектора 130 на части оптического пути ОР перед дефлектором 140. Такое поступательное перемещение влияет на поперечное смещение вдоль поперечной оси (например оси X) оптического пути ОР за дефлекторами 140 и 130.
Следовательно, дефлекторная конструкция в варианте по фиг. 1Е обеспечивает следующую конфигурацию. Оба регулируемых оптических дефлектора 130 и 140 могут совместно перемещаться вдоль первой поперечной оси (например оси X), чтобы задавать относительные поперечные смещения пути РР распространения пучка по этой оси. Один из двух этих дефлекторов (дефлектор 130) способен независимо поступательно перемещаться вдоль второй поперечной оси (например оси Y), чтобы задавать относительные поперечные смещения пути РР по этой оси. Дефлектор 130 способен также к настройке по угловым координатам, предпочтительно по двум углам (PC и YW) так, что эта настройка обеспечивает настройку ориентации пути РР распространения пучка.
В варианте по фиг. 1F используется согласующий компонент 145 и оптические дефлекторы 130 и 140 или дефлектор 130 в конфигурации, сходной с описанной выше со ссылками на любую из фиг. 1D и 1Е, находящиеся (находящийся) внутри согласующего компонента 145 (например в его главной плоскости Р). В результате, по сравнению с примерами по фиг. 1D и 1Е, изменяются роли линейного поступательного перемещения и изменения ориентации дефлекторов в настройках. Более конкретно, здесь регулируемый дефлектор 130 пучка выполнен с возможностью линейного поступательного перемещения таким образом, что поступательное перемещение области его взаимодействия с оптическим путем ОР изменяет поперечное смещение оптического пути ОР внутри согласующего компонента 145 (например вдоль осей X и/или Y), тем самым изменяя ориентацию пути РР распространения светового пучка за согласующим компонентом 145. В некоторых вариантах регулируемый дефлектор 130 пучка установлен так, что он поступательно перемещается, оставаясь вблизи главной плоскости Р согласующего компонента 145. Тем самым реализуется свойство независимости согласно изобретению (таким образом, что поперечные смещения оптического пути ОР внутри согласующего компонента, задаваемые поступательным перемещением, преобразуются только в изменения пути РР распространения пучка по углам PC и/или YW, не влияя на поперечные смещения этого пути). При этом поперечные отклонения (вдоль осей X, Y) пути РР распространения пучка обеспечиваются путем настроек угловой ориентации регулируемого дефлектора 130.
Должно быть понятно, что для облегчения понимания в конкретном неограничивающем примере, проиллюстрированном на фиг. 1Е, показан только один поступательно перемещающийся дефлектор 130, позволяющий изменять ориентацию пути распространения пучка только по одной угловой координате (углу PC или YW). Однако, хотя это и не проиллюстрировано, в типичном варианте внутри согласующего компонента 145 имеются два поступательно перемещающихся дефлектора, установленных аналогично тому, как это проиллюстрировано на фиг. 1Е, т.е. таким образом, чтобы и в этом варианте обеспечивать изменение ориентации пути распространения пучка по двум координатам (углам PC и YW).
С учетом сказанного, при использовании регулируемых оптических дефлекторов 130 и 140 по фиг. 1Е, помещенных внутрь согласующего компонента (т.е. в варианте по фиг. 1F), отклонение пучка для его соответствия направлению взгляда обеспечивается поступательным перемещением одного или обоих регулируемых оптических дефлекторов 130 и 140 следующим образом: осуществляют линейное поступательное перемещение регулируемого дефлектора 130, сконфигурированного согласно фиг. 1F (например вдоль поперечной оси Y), чтобы настроить ориентацию пути РР распространения пучка по одной угловой координате (например по углу PC), и регулируют также его угловое положение, чтобы обеспечить настройку в отношении степеней свободы поперечных смещений пути РР распространения пучка по одной или двум координатам (X и/или Y). Дополнительный регулируемый оптический дефлектор 140 сконфигурирован таким образом, что его оптическая отклоняющая поверхность поступательно перемещается синхронно с оптической поверхностью дефлектора 130 в поперечном направлении (например вдоль оси X) на участке оптического пути ОР перед дефлектором 140. Такое поступательное перемещение изменяет поперечное смещение оптического пути ОР вдоль поперечной оси (например оси X) за дефлекторами 140 и 130. Поскольку дефлекторы находятся внутри согласующего компонента 145, это смещение изменяет настройку ориентации пути РР распространения пучка по углу YW.
Соответственно, дефлекторная конструкция в варианте по фиг. 1F обеспечивает следующие перемещения ее дефлекторов. Имеет место поступательное перемещение вдоль первой поперечной оси (например оси X) по меньшей мере одного регулируемого оптического дефлектора 140 (в типичном варианте обоих регулируемых оптических дефлекторов 130 и 140), чтобы изменить относительное угловое отклонение пути РР распространения пучка к глазу по первой координате (например по углу YW). Один из двух указанных дефлекторов (дефлектор 130) независимо поступательно перемещается вдоль второй поперечной оси (например оси Y), чтобы изменить относительное угловое отклонение пути РР по второй координате (например по углу PC). Дефлектор 130 может также регулироваться по углу, предпочтительно по одной или двум угловым координатам, чтобы провести соответственно одно- или двухкоординатную настройку поперечного положения пути РР распространения пучка.
Следует отметить, что в конкретных неограничивающих примерах, описанных со ссылками на фиг. 1А, 1D, 1Е и 1F, поперечное положение/смещение пути РР распространения светового пучка LB на выходе из порта ЕР зависит от задания определенных параметров отклонения регулируемых дефлекторов 130 и/или 140 (например угловых настроек дефлектора 140 или линейного поступательного перемещения дефлекторов 130 и/или 140), тогда как ориентация пути РР распространения пучка, т.е. направление светового пучка, выходящего из выходного порта ЕР, по существу, нечувствительна к данным параметрами, а управляется другими параметрами отклонения (например угловыми настройками дефлектора 130). Таким образом, обеспечиваются настраиваемые параметры отклонения, которые управляют четырьмя степенями свободы пути распространения пучка.
Следует отметить также, что в некоторых вариантах, в которых достаточно обеспечить только три степени свободы, дефлектор 140 для согласования пучка с положением зрачка в вариантах по фиг. 1А, 1В и 1С может быть реализован, как однокоординатный регулируемый дефлектор, или же может быть использована конфигурация по фиг. 1D. Эта конфигурация может использоваться для изменения поперечного положения пучка LB в вертикальном направлении (по оси Y) для компенсации в случаях, в которых очки расширенной/виртуальной реальности, снабженные устройством 100, могут соскальзывать с переносицы пользователя. В таких вариантах компенсация вариаций расстояния между глазами (межзрачкового расстояния) у различных пользователей может обеспечиваться другими средствами, например механическим средством, позволяющим изменять горизонтальное расстояние между двумя проекционными системами 101 в составе устройства по изобретению, которые служат для проецирования изображения на каждый глаз пользователя.
Должно быть понятно, что, хотя в рассмотренных примерах по фиг. 1А, 1D, 1Е и 1F дефлектор пучков сконфигурирован таким образом, что его параметры отклонения позволяют независимо настраивать соответствующие степени свободы, ассоциированные с поперечным положением и ориентацией оптического пути ОР, в общем случае дефлекторы 130 и/или 140 могут быть сконфигурированы и установлены на оптическом пути таким образом, что они способны совместно настраивать эти три или четыре степени свободы, как это проиллюстрировано, например, на фиг. 1С.
В качестве опции, в некоторых вариантах изобретения (в том числе проиллюстрированных на фиг. 1A-1F) проекционная система 101 содержит также контроллер 164 направления пучка, который может подключаться к регулируемым оптическим дефлекторам 130 и 140 и сконфигурирован для управления ими таким образом, чтобы задавать оптический путь ОР и направлять световые пучки, распространяющиеся вдоль указанного пути, так, чтобы они входили в глаз/зрачок в требуемом месте и с требуемой ориентацией.
В вышеупомянутых примерах дефлектор 140 для согласования пучка с положением зрачка и дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда сконфигурированы и установлены на оптическом пути ОР таким образом, что они соответственно управляют поперечными степенями свободы (поперечным смещением пути РР распространения светового пучка по осям X и Y) и угловыми степенями свободы (ориентацией по углам PC и YW в вертикальной и горизонтальной плоскостях). В этом случае контроллер 164 может быть адаптирован для раздельного управления оптическими дефлекторами таким образом, чтобы по отдельности настраивать их соответствующие параметры отклонения, управляющие угловыми степенями свободы (т.е. ориентацией пути РР распространения пучка в вертикальной плоскости (по углу PC) и/или в горизонтальной плоскости (по углу YW)), и их соответствующие параметры отклонения, управляющие поперечными степенями свободы пути РР распространения пучка.
Как было отмечено выше, в некоторых вариантах отсутствует однозначное соответствие между параметрами отклонения дефлекторов 130 и 140 и указанными тремя или четырьмя степенями свободы, так что управление по одной или более степеням свободы, осуществляемое совместной настройкой двух или более параметров отклонения (например изменением поперечного положения и ориентации светового пучка относительно глаза), может предусматривать регулировку обоих дефлекторов 130 и 140. В таких вариантах контроллер 164, управляющий дефлекторами, может использовать референтные данные (например справочную таблицу), ассоциирующие каждое состояние обоих дефлекторов 140 и 130 с поперечными смещениями (по осям X, Y) и угловыми настройками (по углам PC, YW), которые в этом состоянии влияют на световой пучок. Соответственно, в таких вариантах дефлекторы 130 и/или 140 могут функционировать связанным образом, чтобы осуществить желательные угловые и поперечные настройки светового пучка LB, требуемые для компенсации изменений направления взгляда и относительного положения глаза. Альтернативно, перед калибровкой используется предварительная подгонка, обеспечивающая корреляцию ее результатов с математической полиномиальной моделью движения глаза. В зависимости от конкретных требований, эта модель может быть адаптирована к нескольким альтернативным моделям движений глаза.
На фиг. 1G представлена блок-схема способа 200 согласно изобретению, позволяющего направлять световой пучок, в частности проецировать световой пучок, несущий изображение (например световой пучок LB), на глаз (например прямо на сетчатку глаза). Способ может быть реализован, например, любой проекционной системой 101 из проиллюстрированных на фиг. 1A-1F. Более конкретно, способ 200 включает опционные операции 210 и 220, связанные с обеспечением наличия элементов, формирующих оптический путь ОР в оптическом блоке 150 проекционной системы 101 по фиг. 1A-1F. Способ включает также операции 250, 270 и 290, которые могут осуществляться, например, под управлением контроллера 164 направления пучка, показанного на фиг. 1A-1F.
Более конкретно, опционные операции 210 и 220 способа 200 включают установку первого и второго регулируемых оптических дефлекторов (например дефлекторов 130 и 140 - см. фиг. 1А и 1В) на оптическом пути в оптической системе (например в ее блоке 150). Первый дефлектор 130 пучка выполнен и установлен таким образом, что его рабочее состояние (параметры отклонения) ассоциировано (ассоциированы) с настройкой по меньшей мере ориентации пути РР распространения светового пучка LB на выходе из выходного зрачка/порта ЕР оптического блока 150. Второй дефлектор 140 пучка выполнен и установлен таким образом, что его рабочее состояние (параметры отклонения), ассоциировано (ассоциированы) с настройкой по меньшей мере поперечного положения пути РР распространения светового пучка LB на выходе из выходного зрачка/порта ЕР.
Операция 250 обеспечивает прохождение светового пучка (например пучка LB) через оптическую систему (такую как блок 150), содержащую первый и второй регулируемые оптические дефлекторы. Световой пучок может, например, представлять собой световой пучок для проецирования изображения на сетчатку глаза.
На операции 270 контроллер 164 и/или, как вариант, другое управляющее средство управляет по меньшей мере первым регулируемым дефлектором, настраивая его параметры отклонения таким образом, чтобы компенсировать изменения направления взгляда (например компенсировать/уменьшить изменения, не ассоциированные с тремором глаза). На операции 290 контроллер 164 и/или другое управляющее средство управляет по меньшей мере вторым регулируемым дефлектором, настраивая его параметры отклонения таким образом, чтобы компенсировать изменения положения глаза относительно оптической системы (такой как блок 150). С этой целью способ 200 предлагает технологию для управления и использования оптической системы 150 для проецирования изображения прямо на глаз пользователя с обеспечением компенсации изменений направления взгляда и поперечных смещений глаза/зрачка относительно оптической системы 150.
Как было отмечено выше, проекционная система 101 по изобретению содержит модуль (систему) 190 проецирования изображения, сконфигурированный (сконфигурированную) с возможностью получения промодулированного светового пучка LB, который проецируется на сетчатку глаза для формирования на ней изображения. На фиг. 2А и 2В представлены оптические схемы, иллюстрирующие конфигурации модуля 190 проецирования изображения, входящего в состав проекционной системы 101 согласно двум вариантам изобретения.
Более конкретно, на фиг. 2А представлен модуль 190 проецирования изображений, который проецирует изображения на сетчатку путем сканирования промодулированным по интенсивности световым пучком LB (например промодулированным(и) по интенсивности лазерным(и) пучком (пучками) одного или более цветов) по сетчатке глаза. Лазерный пучок LB, выходящий из модуля 190 проецирования изображений, проходит через оптический блок 150 проекционной системы 101, который направляет этот пучок к зрачку глаза с правильной ориентацией так, что данный пучок проецирует изображение на нужный участок сетчатки. Модуль 190 проецирования изображений, изображенный на фиг. 2В, представляет собой модуль зонального проецирования (area projection), формирующий пространственно модулированный световой пучок LB, сконфигурированный в соответствии с желательным изображением, подлежащим проецированию на сетчатку глаза. Затем пространственно модулированный световой пучок LB проходит через оптический блок 150 и направляется им к зрачку глаза с правильной ориентацией, так что пространственно модулированное изображение проецируется на нужный участок сетчатки глаза. В обоих случаях оптический блок 150 может функционировать (например, под управлением контроллера 164, который будет более подробно описан далее со ссылкой на фиг. 3А) так, чтобы компенсировать изменения положения зрачка/глаза и изменения направления взгляда. В результате изображение может проецироваться на нужный и, как вариант, фиксированный участок на сетчатке глаза независимо от направления взгляда и/или взаимного положения глаза и системы (модуля) 190 проецирования изображений в составе устройства 100.
Следует отметить, что для некоторых вариантов важно, чтобы ширина поперечного сечения светового пучка LB, проецирующего изображение на сетчатку, была задана (или могла задаваться управляемым образом) меньшей номинального диаметра зрачка человеческого глаза. Это позволяет проецировать изображение на сетчатку с увеличенной глубиной поля, так что изображение, проецируемое на сетчатку, остается сфокусированным на нее независимо от фокусного расстояния хрусталика глаза (т.е. независимо от расстояния, на которое пользователь фокусирует свой взгляд). Данное свойство обусловлено тем, что ширина светового пучка LB фактически задает диаметр эффективного входного зрачка, через который световой пучок входит в глаз. Следовательно, более узкий световой пучок LB приводит к меньшему эффективному входному зрачку (меньше фактического диаметра ƒ зрачка глаза), что и обеспечивает проецирование изображения на сетчатку с увеличенной глубиной поля. Формирование пучка, более узкого, чем зрачок, обеспечивается согласно различным вариантам изобретения использованием правильно выбранных одного или более источников 111 света в модуле 190 проецирования изображений и/или использованием подходящей (не изображенной) оптики, расширяющей/сужающей пучок, которая установлена на оптическом пути ОР (например, в составе оптического блока 150 и/или в блоке 113 изображения в составе проекционного модуля 190).
Представленный на фиг. 2А пример модуля 190 проецирования изображений содержит излучательный модуль 110, предназначенный для генерирования светового пучка, подлежащего проецированию на сетчатку, и модулятор 112 светового пучка, установленный на оптическом пути светового пучка и сконфигурированный для модулирования этого пучка в соответствии с изображением, подлежащим формированию на сетчатке. В некоторых вариантах излучательный модуль 110 содержит один или более оптических каналов, каждый из которых содержит источник 111 света и/или световой порт, излучающий свет определенного хроматического состава. Для проецирования изображения в оттенках серого может быть достаточно единственного (например монохроматического) канала. В представленном примере модуль 190 проецирования изображений сконфигурирован для проецирования цветного изображения, так что излучательный модуль 110 содержит три хроматических оптических канала (например три световых порта/излучателя R, G и В, излучающих свет различных цветов: красного, зеленого и синего соответственно). В данном примере световые порты/излучатели 111 реализованы тремя лазерными излучателями R, G и В (например лазерными диодами).
Модуль 190 проецирования изображений в типичном варианте содержит также оптический блок 113, представляющий собой блок профилирования и комбинирования пучков. Данный блок сконфигурирован для коллимирования световых пучков из одного или более оптических каналов, соответствующих одному или более цветам, и для комбинирования их таким образом, чтобы они распространялись вдоль общего оптического пути ОР. Блок 113 профилирования и комбинирования пучков может содержать, например, один или более формирователей пучка (например коллиматоров 117 и/или 117'), сконфигурированных для коллимирования (по отдельности и/или совместно) света из нескольких оптических каналов. При наличии более одного оптического канала блок 113 профилирования и комбинирования пучков может также содержать один или более объединителей 118 пучков, которые комбинируют пучки из разных оптических каналов, распространяющиеся далее по общему оптическому пути ОР.
Имеющийся в составе проекционного модуля 190 модулятор 112 светового пучка, формирующего изображение, содержит один или более модуляторов 115 интенсивности, сконфигурированных для регулировки интенсивности световых пучков, поступающих из соответствующих оптических каналов (от портов/излучателей). Модуляторы 115 интенсивности могут быть реализованы с использованием соответствующих контроллеров источников света, которые могут быть подключены к соответствующим источникам света/световым портам модуля 110 и сконфигурированы для настройки их функционирования, управляемого в отношении интенсивности испускаемого ими света. Альтернативно или дополнительно, модуляторы 115 интенсивности могут содержать или представлять собой управляемые аттенюаторы света (например электрооптические или механические), установленные на оптическом пути света, испускаемого соответствующими источниками света/световыми портами в модуле 110. Альтернативно, модулирование может осуществляться варьированием фазовых характеристик нелинейного кристалла (нелинейных кристаллов).
В этом примере модулятор 112 светового пучка содержит также дефлектор 120 для сканирования изображения, например зеркальный модуль для сканирования растра (растровый сканер) и/или поворотный (вращающийся) дефлектор, регулируемый по двум координатам (например способный сканировать изображение). Модулятор 112 светового пучка в типичном варианте содержит по меньшей мере один модулятор 115 интенсивности, сконфигурированный для модулирования интенсивности, а также, возможно, хроматического состава светового пучка LB, подаваемого на дефлектор 120 для сканирования изображения. Данный дефлектор функционирует путем изменения своего угла отклонения как временной функции, так что в различные моменты времени он придает световому пучку LB различные ориентации, соответствующие положениям различных пикселей изображения, подлежащего проецированию на сетчатку.
Модуль 190 проецирования изображений в типичном варианте содержит также контроллер 192 проецирования изображения, который принимает входные данные по изображению (image data, IMD), характеризующие изображение, подлежащее проецированию на сетчатку, и управляет модулятором 112 светового пучка так, чтобы модулировать световой пучок LB в соответствии с данными по изображению (IMD). Более конкретно, в этом примере контроллер 192 проецирования изображения получает данные, характеризующие угловое положение дефлектора 120 для сканирования изображения (например, в случае непрерывно функционирующего (вращающегося) дефлектора 120 это отклонение может быть временной функцией). Альтернативно или дополнительно, данный контроллер может задавать угловое положение дефлектору 120 для сканирования изображения (например выдавая дефлектору соответствующие управляющие сигналы). Исходя из углового положения (например угла отклонения/ориентации) дефлектора 120, контроллер 192 проецирования изображения определяет, какой именно пиксель изображения должен в данный момент проецироваться на сетчатку, и использует IMD, чтобы определить интенсивность и, возможно, хроматический состав этого пикселя, после чего соответствующим образом управляет модуляторами 115 интенсивности (например выдавая им соответствующие управляющие сигналы), чтобы обеспечить нужные интенсивность и хроматический состав светового пучка LB. Соответственно, контроллер 192 проецирования изображения управляет компонентами модуля 190 проецирования изображения, чтобы модулировать световой пучок LB в соответствии с изображением так, чтобы этот пучок мог быть далее направлен оптическим блоком 150 устройства 100 на сетчатку, обеспечивая проецирование на нее изображения. В этом примере в каждый момент времени интенсивность и, возможно, хроматический состав светового пучка LB соответствуют единственному пикселю изображения, который проецируется на сетчатку. Дефлектор 120 для сканирования изображения сканирует световой пучок LB по области сетчатки, на которую должны быть спроецированы различные пиксели изображения, причем модуляторы 115 интенсивности функционируют синхронно, чтобы обеспечить требуемую модуляцию интенсивности светового пучка LB и, возможно, хроматического состава пикселей, формирующих изображение на сетчатке.
Другой пример модуля 190 проецирования изображения, пригодный для использования в системе по изобретению для проецирования на глаз, проиллюстрирован на фиг. 2В. Здесь модулятор светового пучка содержит модуль 115 зонального проецирования, в состав которого могут входить, например, источник 110 пучка (например источник электронного пучка и/или света) и пространственный модулятор. Модуль 115 может быть реализован, например, с применением любого одного или более из следующих устройств: электронно-лучевой трубки (содержащей источник 110 электронного пучка и слой фосфора, служащего в качестве пространственного модулятора 115 света), жидкокристаллического дисплея (содержащего, например, источник 110 света и жидкокристаллический пространственный модулятор света, изготовленный, например, по технологии "жидкие кристаллы на кремнии"), модуля цифровой обработки света (содержащего, например, источник 110 света и цифровое микрозеркальное устройство (Digital Micromirror Device), действующее как пространственный модулятор света), органический светодиод (который содержит светодиодную матрицу, служащую в качестве источника 110 света, и пространственный модулятор) и/или резонансные оптоволоконные проекционные системы.
Таким образом, модуль 115 зонального проецирования сконфигурирован для испускания пространственно модулированного светового пучка LB (сконфигурированного/промодулированного в соответствии с желательным изображением). Модуль 190 проецирования изображений в типичном варианте содержит также контроллер 192 проецирования изображения, который принимает входные данные по изображению (IMD), характеризующие изображение, подлежащее проецированию на сетчатку, и управляет модулем 115 зонального проецирования так, чтобы получить световой пучок LB, пространственно промодулированный в соответствии с изображением. В этом примере модуль 190 проецирования изображений может также содержать оптический блок 113, содержащий, например, оптику для профилирования пучка и/или согласующий компонент, который может формировать и направлять пространственно модулированный световой пучок в сторону оптического блока 150 проекционной системы 101, посредством которой пучок направляется далее, с правильной ориентацией, к нужному участку зрачка глаза, так что изображение проецируется на нужный участок на сетчатке (например независимо от направления взгляда пользователя и от взаимного положения проекционной системы и глаза).
В этой связи следует отметить, что контроллер 192 проецирования изображения управляет пространственным модулятором 112 света в составе модуля 115 зонального проецирования с целью пространственного модулирования интенсивности и хроматического состава светового пучка LB так, что изображение, подлежащее проецированию на сетчатке, формируется в поперечном сечении светового пучка LB в определенной оптически сопряженной плоскости СР. Оптический блок 150 проекционной системы 101 сконфигурирован для переноса изображения, формируемого в оптически сопряженной плоскости CP, на сетчатку глаза.
На фиг. 3А представлена блок-схема, иллюстрирующая айтрекер 105, содержащий айтрекинговый модуль 160 согласно варианту изобретения. Айтрекинговый модуль 160 содержит порт ИК излучения, сконфигурированный для получения ИК следящего пучка (трекинг-пучка, ТВ), по меньшей мере два оптических датчика 175 и 185 и айтрекинговый контроллер 164. Айтрекинговый модуль 160 может также содержать оптический блок, который может быть аналогичен описанному выше со ссылкой на любую из фиг. 1A-1F, причем он может быть сконфигурирован для направления пучка ТВ ИК излучения вдоль траектории ОР распространения пучка к глазу пользователя. С этой целью оптический блок 150 содержит по меньшей мере два регулируемых оптических дефлектора 130 и 140, сконфигурированных для настройки ориентации и поперечного положения пути РР распространения трекинг-пучка ТВ, а также световых пучков (например пучка LB), которые могут распространяться вдоль оптического пути ОР в оптическом блоке и далее к глазу. Два оптических датчика 175 и 185 оптически сопряжены с оптическим путем ОР в оптическом блоке и связаны по меньшей мере с двумя регулируемыми оптическими дефлекторами так, что они воспринимают пучок RB ИК излучения, отразившийся от глаза при падении на него трекинг-пучка ТВ ИК излучения. Айтрекинговый модуль 160 может также содержать айтрекинговый контроллер 164, соединенный по меньшей мере с оптическими датчиками 175 и 185. Данный контроллер сконфигурирован для приема информации, считанной с оптических датчиков 175 и 185, и для обработки этой информации, чтобы определить данные, характеризующие поперечное и угловое отклонения пути РР распространения пучка соответственно от положения зрачка и направления взгляда. С этой целью айтрекинговый модуль 160 сконфигурирован для мониторинга положения/ориентации глаза (т.е. для измерения данных о позиционировании глаза, характеризующих направление взгляда и поперечное положение глаза) и может использоваться совместно с вышеописанной проекционной системой 101 для настройки пути РР распространения к глазу пучка, формируемого проекционной системой 101.
Порт/источник 162 ИК излучения сконфигурирован для формирования трекинг-пучка ТВ, который должен проходить по оптическому пути ОР в оптическом блоке, взаимодействуя при этом с одним или более регулируемыми оптическими дефлекторами 130 и/или 140, после чего он проходит по пути РР распространения пучка к глазу. Падение трекинг-пучка ТВ на глаз приводит, в результате отражения трекинг-пучка ТВ от глаза, к появлению отраженного пучка RB излучения, распространяющегося в обратном направлении по оптическому пути ОР в оптическом блоке.
Датчики 175 и 185 оптически сопряжены с оптическим путем ОР в двух или более различных положениях вдоль этого пути и сконфигурированы для приема отраженного пучка RB излучения и измерения одного или более параметров распространения отраженного пучка RB излучения в двух или более различных точках.
Айтрекинговый контроллер 164 может быть соединен с одним или более датчиками 175 и/или 185 и с одним или более регулируемыми оптическими дефлекторами 130 и/или 140. Более конкретно, контроллер 164 сконфигурирован для приема считанной с датчиков 175 и 185 информации, характеризующей один или более параметров распространения отраженного пучка RB излучения в двух или более различных точках оптического пути, и для обработки этой информации, чтобы определить данные, характеризующие позиционирование глаза, т.е. поперечное (по осям X и/или Y) положение зрачка глаза и направление взгляда относительно пути РР распространения пучка или относительно оптического блока 150.
В некоторых вариантах данные о позиционировании глаза характеризуют расхождение между направлением взгляда (линией LOS) и ориентацией пути РР распространения пучка к глазу, а также взаимное смещение между поперечным (по осям X, Y) положением зрачка глаза и путем PP.
В некоторых вариантах айтрекинговый модуль 160 содержит один или более контроллеров, например контроллеры 170 и 180, сконфигурированные для использования данных о позиционировании глаза, чтобы генерировать команды для управления одним или более регулируемыми оптическими дефлекторами 140 и/или 130 с целью настройки ориентации (по углам в вертикальной и горизонтальной плоскостях) и поперечного положения (по осям X, Y) пути РР распространения пучка, чтобы компенсировать поперечные и угловые отклонения относительно глаза.
Согласно некоторым вариантам изобретения регулируемые оптические дефлекторы 130 и 140 установлены последовательно на оптическом пути ОР, задавая два отрезка STG1 и STG2 оптического пути ОР, ассоциированные с отклонением оптического пути ОР соответственно дефлекторами 140 и 130. Соответственно, позиции, в которых датчики 175 и 185 сопряжены с оптическим путем ОР, находятся на указанных отрезках STG1 и STG2. Датчики 175 и 185 могут быть сопряжены с оптическим путем с помощью соответствующих компонентов ВС3 и ВС2 для расщепления/объединения пучков, находящихся на отрезках STG1 и STG2 оптического пути соответственно.
Айтрекинговый контроллер 164 сконфигурирован с возможностью генерировать команды для каждого регулируемого оптического дефлектора 140, 130 в зависимости от значения соответствующего параметра распространения пучка, измеренного соответствующим датчиком 175 или 185 для соответствующего отрезка STG1 или STG2 оптического пути ОР, ассоциированного с регулируемым оптическим дефлектором 140 или 130 соответственно.
Например, параметром распространения отраженного пучка RB излучения может быть поперечное смещение оси этого пучка относительно заданного (номинального) оптического пути ОР. С этой целью каждый из датчиков 175 и 185 может содержать множество детекторов/пикселей, чувствительных к оптическому излучению. Контроллер 164 может быть сконфигурирован для обработки информации, считанной с пикселей датчика 175 или 185, с целью определить зону падения отраженного пучка RB излучения на датчик и вычислить по этой информации отклонение этой зоны падения от заданной (номинальной) зоны падения на датчик. В результате будет определен параметр распространения отраженного пучка RB излучения на соответствующем отрезке STG1 или STG2 оптического пути ОР. По параметру распространения пучка (который, например, соответствует поперечному смещению оси отраженного пучка RB относительно заданного (номинального) оптического пути ОР), найденному для двух отрезков STG1 и STG2 оптического пути ОР, могут быть рассчитаны/оценены данные, характеризующие поперечное положение и ориентации глаза. Таким образом, регулируемые оптические дефлекторы 140 и 130 могут быть настроены для трекинга поперечного положения/ориентации глаза.
Например, согласно некоторым вариантам изобретения айтрекинговый контроллер 164 содержит один или более сервоконтуров (например на основе контроллеров 170 и/или 180). При этом каждый контроллер сервоконтура выполнен с возможностью подключения к соответствующему регулируемому оптическому дефлектору (например к дефлектору 130 или 140) и к соответствующему датчику (например к датчику 185 или 175) и сконфигурирован для обработки данных, считанных с соответствующего датчика (например с датчика 185 или 175), с целью определить соответствующий параметр распространения пучка на соответствующем отрезке оптического пути ОР (например на отрезках STG2 и/или STG1) и, основываясь на этом параметре, сгенерировать операционные команды для управления соответствующим регулируемым оптическим дефлектором, ассоциированным с данным контроллером (например дефлектором 130 или 140).
Для большей наглядности в неограничивающем примере по фиг. 3А айтрекинговый модуль 160 проиллюстрирован взаимодействующим с проекционным устройством 100 по изобретению. Более конкретно, в этом примере проекционное устройство 100 содержит по меньшей мере одну проекционную систему 101, которая содержит айтрекер 105, сконфигурированный (как это описано выше) для мониторинга и, возможно, трекинга положения глаза/зрачка и направления линии зрения (т.е. взгляда). Проекционная система 101 может быть сконфигурирована аналогично проекционной системе, показанной на любой из фиг. 1A-1F, и может, как вариант, содержать модуль 190 проецирования изображения для проецирования изображения пучка LB на глаз через оптический блок 150. Айтрекер 105 сконфигурирован для мониторинга поперечного положения глаза и линии зрения (LOS) и для управления оптическим блоком 150 так, чтобы отслеживать положение глаза и линию зрения и направлять путь РР распространения светового пучка LB (проецирующего изображение) на требуемый участок глаза (например на его зрачок) с желательной ориентацией относительно линии зрения (LOS). С этой целью в данном примере обеспечивается распространение указанного светового пучка LB, а также трекинг-пучка ТВ (в типичном варианте пучка ИК излучения) и отраженного пучка RB излучения по общему оптическому пути в оптическом блоке 150 и по общему пути РР распространения пучка к глазу. В некоторых вариантах проекционное устройство 100 содержит две проекционные системы, сходные с проекционной системой 101 и сконфигурированные для проецирования изображения на оба глаза пользователя.
Должно быть, однако, понятно, что айтрекер 105 и/или айтрекинговый модуль 160 могут быть реализованы, как автономные устройства/модули, подключаемые к проекционной системе 101. Альтернативно, они могут быть интегрированы в проекционную систему 101. В этом примере оптический блок 150 используется проекционной системой 101 для проецирования изображения на глаз, а айтрекер 105 - для мониторинга и трекинга положения глаза и линии зрения. Альтернативно или дополнительно, айтрекинговый модуль 160 может быть реализован, как автономное устройство, сконфигурированное с возможностью оптического сопряжения с оптическим модулем 150, электрически связанное с дефлекторами 130 и 140 этого модуля и способное воспринимать возвращаемые (отраженные) пучки RB излучения, распространяющиеся от выходного зрачка ЕР вдоль оптического пути ОР, обрабатывать детектированные оптические сигналы, чтобы осуществлять отслеживание (трекинг) поперечного положения глаза и линии зрения и управлять регулируемыми дефлекторами 130 и 140 с целью настройки пути РР распространения оптического пучка (например ТВ и/или LB) в пространстве между оптическим блоком 150 и глазом таким образом, чтобы световой пучок LB был направлен, с желательной ориентацией, на нужный участок глаза/зрачка.
В данном примере проекционная система 101 содержит модули, сходные с модулями проекционной системы, проиллюстрированной на любой из фиг. 1A-1F. Более конкретно, система содержит опционный модуль 190 проецирования изображений, который может быть сконфигурирован, как любой из аналогичных модулей, описанных на фиг. 2А и 2В. Система содержит также оптический блок 150, сконфигурированный так, чтобы направлять световой пучок LB от модуля 190 проецирования изображений на глаз (например с использованием очковой линзы 102). Аналогично оптическому блоку 150, описанному со ссылкой на фиг. 1А, 1В, и в этом варианте оптический блок 150 содержит по меньшей мере один, а в типичном варианте по меньшей мере два регулируемых оптических дефлектора (например, как и на фиг. 1А, дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда и дефлектор 140 для согласования пучка с положением зрачка), установленные на оптическом пути ОР светового пучка LB и сконфигурированные для обеспечения по меньшей мере трех, а в типичном варианте четырех степеней свободы при настройке пути распространения светового пучка LB к глазу. Две из этих степеней свободы ассоциированы с компенсацией изменений направления взгляда, а по меньшей мере одна степень свободы (в типичном (предпочтительном) варианте две степени свободы) ассоциирована (ассоциированы) с компенсацией вариаций поперечного положения (по вертикали и/или по горизонтали) проекционного устройства 100 относительно глаза.
Должно быть понятно, что изменения направления линии LOS глаза, в первую очередь, связаны с саккадными движениями глаза, а поперечные движения глаза - с изменениями взаимного поперечного положения зрачка и проекционных/трекинговых систем.
Следует отметить, что в некоторых вариантах модуль 160 мониторинга глаза (айтрекинговый модуль) содержит источник 162 излучения, испускающий трекинг-пучок ТВ. Альтернативно или дополнительно, в некоторых вариантах источник трекинг-пучка может не являться частью модуля 160 мониторинга глаза, так что этот модуль содержит только порт 162 для приема трекинг-пучка ТВ. В различных вариантах изобретения источник трекинг-пучка может быть оптически сопряженным с оптическим модулем 150 через порт 162 таким образом, что трекинг-пучок ТВ направляется на глаз через оптический блок 150. Альтернативно, источник 162 трекинг-пучка может быть не связанным с оптическим модулем 150, так что трекинг-пучок ТВ направляется на глаз другим способом (например через свободное пространство распространения пучка или через другую направляющую оптическую систему).
В этом конкретном и неограничивающем варианте изобретения, проиллюстрированном на фиг. 3А, источник 162 трекинг-пучка сконфигурирован и установлен таким образом, что он оптически сопряжен с оптическим модулем 150, так что трекинг-пучок ТВ может распространяться вдоль оптического пути ОР в оптическом блоке 150 и далее вдоль пути РР распространения пучка к сетчатке глаза. С этой целью источник 162 трекинг-пучка ассоциирован с объединителем ВС1 пучков (например с дихроичным объединителем пучков), установленным на оптическом пути ОР в оптическом блоке 150 и на пути распространения трекинг-пучка ТВ, испускаемого его источником 162, так что трекинг-пучок ТВ будет распространяться, совместно с пучком LB, несущим изображение, к глазу вдоль оптического пути ОР. Источник 162 трекинг-пучка в типичном варианте является источником оптического/электромагнитного излучения с длинами волн/спектром, выбранными таким образом, чтобы избежать или по меньшей мере значительно ослабить дискомфорт пользователя, ассоциированный с присутствием в поле зрения глаза фиксированного источника света (видимого излучения). Например, источник 162 трекинг-пучка может быть источником инфракрасного (ИК) излучения (например ИК лазерным диодом), испускающим ИК пучок, невидимый для человеческого глаза.
Следует отметить, что согласно определенным вариантам изобретения трекинг-пучок ТВ распространяется вдоль оптического пути ОР и взаимодействует, на пути к глазу, последовательно с обоими регулируемыми оптическими дефлекторами 130 и 140 оптического блока 150, так что этот пучок может быть направлен на глаз при различных направлениях взгляда и возможном варьировании поперечных смещений проекционной системы 101. С этой целью объединитель ВС1 пучков может быть установлен так, чтобы он пересекал оптический путь ОР на участке перед регулируемыми дефлекторами 130 и 140.
В результате, когда регулируемые оптические дефлекторы 130 и 140 настроены правильным образом (т.е. когда их параметры отклонения заданы так, чтобы направлять световой пучок на глаз при правильных поперечном положении и ориентации пути РР распространения пучка к глазу), трекинг-пучок ТВ также проходит в направлении зрачка глаза по пути распространения пучка, так что он может входить в глаз и проецироваться на сетчатку.
В некоторых вариантах ширина трекинг-пучка ТВ в поперечном сечении задана меньшей номинального диаметра зрачка человеческого глаза. Тем самым минимизируются отражения трекинг-пучка ТВ от области глаза, окружающей зрачок; это, в свою очередь, уменьшает мешающие влияния таких отражений на трекинг-пучок ТВ и соответственно повышает точность трекинга. В некоторых вариантах, чтобы учесть сценарии, в которых взгляд смещается настолько, что трекинг-пучок ТВ полностью оказывается за пределами зрачка (и сигнал теряется), регулируемые оптические дефлекторы (например дефлекторы 130 и 140, выполненные, например, в виде настраиваемых зеркал) в составе оптической системы могут содержать (или быть сконфигурированы с возможностью формировать) определенный паттерн, называемый фигурой Лиссажу (это позволяет расширить область поиска, чтобы обнаружить потерянный сигнал). При реализации алгоритма поиска зрачка фигуры Лиссажу сначала строятся в поперечной области до тех пор, пока не будет восстановлен сигнал, а затем в области углов для оптимальной настройки оптического пути. Подобный паттерн (например фигура Лиссажу) может затем использоваться для определения положения отражения трекинг-пучка ТВ от периферии зрачка и требуемых параметров отклонения регулируемых оптических дефлекторов 130 и 140, обеспечивающих согласование пути РР распространения пучка с поперечным положением зрачка и ориентацией линии LOS в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Альтернативно или дополнительно, чтобы отслеживать положение зрачка и направление взгляда, можно использовать датчики 175 и/или 185 для детектирования пучка RB излучения, отраженного от глаза. При этом данные датчики могут быть сконфигурированы, как крупные сотовые детекторы (например фотодиодные матрицы), чтобы минимизировать вероятность возникновения подобных сценариев.
В общем случае, когда трекинг-пучок ТВ падает на глаз, часть RB трекинг-пучка ТВ может отражаться от сетчатки глаза (это соответствует так называемому сетчаточному отражению) назад, вдоль оптического пути ОР. Альтернативно или дополнительно, часть RB трекинг-пучка ТВ может формировать отражение от роговицы глаза (так называемое роговичное отражение и/или одно из изображений Пуркинье). В некоторых вариантах пучок RB излучения может включать в себя часть трекинг-пучка ТВ, соответствующую отражению от передней поверхности роговицы (первому изображению Пуркинье), от задней поверхности хрусталика (так называемому четвертому изображению Пуркинье) и/или от сетчатки (сетчаточному отражению). Отраженный пучок излучения распространяется от глаза по оптическому пути ОР в оптическом блоке 150 назад, причем точное направление распространения отраженного пучка RB излучения характеризует положение и/или ориентацию зрачка глаза.
Определенные варианты изобретения преимущественно используют свойства глаза как ретрорефлектора, конкретно, тот факт, что сетчатка глаза является ретрорефлектором. Сетчатка способна отражать значительную долю излучения в ИК диапазоне. Это свойство используется системой трекинга направления взгляда согласно определенным вариантам изобретения, чтобы отслеживать фактическую оптическую ось глаза или любое другое выбранное направление, ориентированное под углом к оптической оси глаза. Трекинг фактической оптической оси глаза или любого другого выбранного направления обеспечивается использованием глаза как ретрорефлектора, необязательно на основе изображений Пуркинье (как это имеет место в известных подходах). Использование ретрорефлекторных свойств глаза означает, что отраженный пучок распространяется в обратном направлении под определенным углом относительно оптической оси глаза. Это позволяет системе отслеживать фактическую оптическую ось глаза. Хотя ретрорефлекторные свойства глаза могут характеризоваться некоторой степенью хроматической аберрации, тем не менее, имеется возможность использовать эти свойства для детектирования, с высокой точностью, угловых и поперечных движений глаза.
Согласно некоторым вариантам изобретения два оптических датчика 175 и 185 модуля 160 мониторинга глаза оптически сопряжены с оптическим путем (например с оптическим путем ОР в оптическом блоке 150), по которому распространяется отраженный пучок RB излучения. В результате положение зоны падения отраженного пучка RB на по меньшей мере первый из оптических датчиков обеспечивает данные, характеризующие поперечное смещение (по осям X и/или Y) поперечного положения пути РР распространения светового пучка LB относительно положения зрачка глаза. Одновременно положение зоны падения отраженного пучка RB по меньшей мере на второй оптический датчик обеспечивает данные, характеризующие угловое отклонение (в вертикальной и/или горизонтальной плоскостях) пути РР распространения пучка от линии зрения. Действительно, оптические датчики могут представлять собой двухкоординатные датчики 175 и 185, сопряженные с оптическим путем отраженного света таким образом, чтобы обеспечить мониторинг четырех степеней свободы пути РР распространения пучка. Например, первый датчик (датчик 175 на фиг. 3А) может быть сопряжен с оптическим путем отраженного пучка излучения в зоне отрезка STG1 оптического пути ОР между оптическими элементами согласующего компонента 145, например вблизи главной плоскости согласующего компонента 145, таким образом, что угловые отклонения отраженного пучка RB от номинальной оптической оси, имеющей заданное положение относительно пути РР распространения светового пучка LB, преобразуются в поперечное смещение положения зоны, в которой пучок RB падает на оптический датчик 175. Это позволяет измерять/определять отклонение (в вертикальной и горизонтальной плоскостях) ориентации пути РР распространения пучка относительно линии зрения глаза. Второй датчик (например датчик 185 на фиг. 3А) может быть сопряжен с оптическим путем отраженного пучка RB излучения в зоне отрезка STG2 оптического пути ОР, вдоль которого этот пучок распространяется вне согласующего компонента 145 (если такой согласующий компонент используется). Это позволяет измерять поперечное смещение отраженного пучка RB относительно номинальной оптической оси, имеющей заданное положение относительно пути РР распространения светового пучка. Это позволяет измерять/определять поперечное смещение (по осям X и/или Y) пути РР относительно положения глаза.
Следует отметить, что в некоторых вариантах изобретения оптический датчик, измеряющий угловые отклонения пути РР распространения пучка, может не быть полностью оптически независимым от влияний поперечных смещений пути РР распространения пучка. И наоборот, оптический датчик, измеряющий поперечные отклонения пути РР распространения пучка, может не быть полностью оптически независимым от влияний угловых отклонений пути РР распространения пучка. В таких случаях результаты измерений, полученных от обоих датчиков 175 и 185, подвергают дальнейшей обработке, чтобы определить по результатам указанных измерений угловые (в вертикальной и горизонтальной плоскостях) и поперечные (по осям X и Y) отклонения пути РР распространения пучка. Например, результаты измерений, полученные от обоих датчиков, могут быть обработаны, чтобы определить положения зон падения отраженного пучка RB излучения на каждый из датчиков. Затем эти положения (например, представленные в виде векторов) могут быть представлены в форме матрицы, которая может быть затем диагонализирована (например, с использованием данных, характеризующих оптические свойства оптического блока 150, включая его матричное или функциональное представление), чтобы определить ориентации и поперечные отклонения пути РР распространения пучка от направления взгляда и поперечного положения глаза.
Согласно некоторым вариантам оптические датчики 175 и 185 ассоциированы с различными отрезками STG1 и STG2 оптического пути ОР, выбранными таким образом, что отраженный в обратном направлении пучок RB излучения взаимодействует, до достижения различных оптических датчиков 175 и 185, с различной комбинацией регулируемых оптических дефлекторов 140 и 130. Оптические датчики 175 и 185 могут быть установлены таким образом, что каждый из них ассоциирован с одним из регулируемых оптических дефлекторов 140 и 130 соответственно, причем так, что положения зон падения светового пучка на каждый из датчиков обеспечивают данные, характеризующие требуемые коррекции, которые должны быть произведены применительно к соответствующему регулируемому оптическому дефлектору. Это позволяет применить разомкнутый/замкнутый сервоконтур для настройки каждого из дефлекторов на основе данных, считанных с соответствующего ему датчика. Например, как показано на фиг. 3А, оптический датчик 175 ассоциирован с отрезком STG1, чтобы воспринимать отраженный пучок RB излучения после его взаимодействия с регулируемым дефлектором 140 и до его взаимодействия с дефлектором 130. Соответственно, отклонение положения зоны падения отраженного пучка RB излучения на датчик 175 от заданного номинального положения (например от центра датчика) характеризует требуемую коррекцию для настройки регулируемого дефлектора 140, причем это отклонение может быть обработано замкнутым сервоконтуром, например контроллером 170 (как это будет описано далее), чтобы скорректировать настройку дефлектора 140. Аналогично, оптический датчик 185 установлен с возможностью воспринимать отраженный пучок RB излучения на отрезке STG2 после его взаимодействия с комплектом различных регулируемых дефлекторов 140 и 130 (в этом неограничивающем примере после его взаимодействия с обоими регулируемыми дефлекторами 140 и 130). При условии, что регулируемые дефлекторы 140 правильно отрегулированы, отклонение положения зоны падения отраженного пучка RB излучения от заданного номинального положения на датчике 185 (например от центра датчика) характеризует требуемую коррекцию для настройки регулируемого дефлектора 130, причем оно может быть обработано замкнутым сервоконтуром, например контроллером 180 (как это будет описано далее), чтобы скорректировать настройку дефлектора 130.
Следует отметить, что для большей ясности и без потери общности в конкретном неограничивающем примере по фиг. 3А используется айтрекер 105, сконфигурированный с возможностью функционировать совместно с проекционной системой 101, описанной, в качестве примера, со ссылкой на фиг. 1А. Более конкретно, в этом неограничивающем примере трекинг-пучок ТВ от его источника 162 связан, посредством объединителя ВС1 пучков, с оптическим путем ОР в оптическом блоке 150, аналогичном показанному на фиг. 1А. Отраженный пучок RB распространяется в обратном направлении по этому оптическому пути ОР и отводится от него к датчикам 175 и 185 посредством соответствующих компонентов ВС3 и ВС2 для расщепления/объединения пучков, установленных с пересечением, в определенных положениях, оптического пути ОР в оптическом блоке. Соответственно, в этом конкретном примере оптический блок 150 сконфигурирован с возможностью реализации рассмотренного выше, со ссылками на фиг. 1А, 1D, 1Е и 1F, свойства независимости изобретения. Более конкретно, согласно этому свойству параметры отклонения дефлектора 130 не зависят от управления поперечным положением (по осям X, Y) пути РР распространения пучка, а параметры отклонения дефлектора 140 не зависят от управления ориентацией (в вертикальной и горизонтальной плоскостях) пути РР распространения пучка. Таким образом, каждый из дефлекторов 130 и 140 в этом конкретном и неограничивающем примере сконфигурирован исключительно как дефлектор для согласования пучка с направлением взгляда и дефлектор для согласования пучка с положением зрачка соответственно. Для облегчения понимания, далее они именуются именно таким образом. В рассматриваемом примере оптический датчик 185 сконфигурирован (с использованием соответствующего расщепителя ВС2 пучка) для детектирования отраженного пучка RB излучения после того, как он будет отклонен дефлектором 130. Таким образом, в этом конкретном примере (в котором дефлектор 130 пучка функционирует исключительно как дефлектор для согласования пучка с направлением взгляда) датчик выдает данные измерений, характеризующие угловое отклонение пути РР распространения пучка от линии LOS. Поэтому далее, для облегчения понимания, оптический датчик 185 будет именоваться датчиком направления взгляда.
Оптический датчик 175 в этом примере сконфигурирован (с использованием соответствующего расщепителя ВС3 пучка) для детектирования отраженного пучка RB излучения после того, как он будет отклонен дефлектором 140 и до его взаимодействия с дефлектором 130. Таким образом, в этом конкретном примере (в котором дефлектор 140 пучка функционирует исключительно как дефлектор для согласования пучка с положением зрачка) датчик 175 выдает данные измерений, характеризующие поперечное отклонение пути РР распространения пучка от положения зрачка глаза. Поэтому далее, для облегчения понимания, оптический датчик 185 будет именоваться датчиком положения зрачка. Должно быть, однако, понятно, что, хотя для облегчения понимания датчики 185 и 175 и регулируемые дефлекторы 130 и 140 именуются далее, как датчики/дефлекторы направления взгляда и положения зрачка, в вариантах, использующих другие конфигурации оптического блока 150, разграничение между датчиками/дефлекторами положения зрачка и направления взгляда не является четким, поскольку оба дефлектора и оба оптических датчика могут быть чувствительными как к отклонению пути распространения пучка от положения зрачка, так и к направлению взгляда. Эта ситуация имеет место, например, в вариантах, в которых айтрекер 105 оптически сопряжен с оптическим блоком 150 типа показанных на фиг. 1В и 1С. В этих вариантах любой или некоторые параметры отклонения дефлекторов может (могут) влиять на несколько степеней свободы пути РР распространения пучка (т.е. может отсутствовать однозначное соответствие между параметрами отклонения дефлекторов и характеристиками пути распространения пучка по углу и по поперечному смещению). Поэтому должно быть понятно, что в общем случае функционирование датчиков/дефлекторов положения зрачка необязательно будет ограничено измерением/коррекцией положения пути РР распространения пучка относительно положения зрачка, но может также включать измерение/коррекцию направления пути РР распространения пучка относительно направления взгляда. Должно быть также понятно, что в общем случае функционирование датчиков/дефлекторов направления взгляда необязательно будет ограничено измерением/коррекцией направления пути РР распространения пучка относительно направления взгляда, но может также включать измерение/коррекцию положения пути РР распространения пучка относительно положения зрачка.
Датчик направления взгляда содержит массив оптических детекторов (например четыре оптических детектора/пикселя), чувствительных к длинам волн отраженного пучка RB излучения. Например, датчик 185 направления взгляда может быть реализован, как квадратурный детектор ИК излучения (например содержащий четыре фотодетектора в конфигурации 2×2) и/или позиционно-чувствительный детектор, и/или прибор с зарядовой связью, реализующий режим временной задержки и накопления, и/или КМОП-детектор с функцией "область интереса" (Region of interest, ROI). Датчик 185 направления взгляда оптически сопряжен с оптическим путем ОР и установлен таким образом, что он принимает отраженный пучок RB излучения после того, как он отразится от глаза и провзаимодействует с дефлектором 130 для согласования пучка с направлением взгляда. Как проиллюстрировано фиг. 3А, в данном примере датчик 185 направления взгляда оптически сопряжен с оптическим путем ОР посредством объединителя ВС2 пучков (например реализованного в виде дихроичного зеркала), который является частью оптической системы и расположен по направлению распространения отраженного пучка RB излучения от глаза за дефлектором 130 для согласования пучка с направлением взгляда. Соответственно, когда проекция PL1 отраженного пучка RB излучения на датчик 185 направления взгляда центрирована относительно данного датчика (или относительно референтного положения RL1, заданного на этом датчике), это указывает, что оптический путь ОР и, соответственно, трекинг-пучок ТВ и световой пучок LB, несущий изображение, проецируемое на сетчатку, направлены на глаз под заданным/известным углом падения относительно линии LOS (например, когда оптический путь ОР в месте его падения на глаз совпадает с линией LOS). Если же положение PL1 проекции отраженного пучка RB излучения отклоняется от центрального/референтного положения RL1 на датчике 185 направления взгляда, это указывает, что угол падения оптического пути ОР на глаз отклонился от заданного угла падения (например, оптический путь больше не совпадает с линией LOS).
Как отмечалось выше в этой связи, направление распространения отраженного пучка RB излучения характеризует ориентацию зрачка глаза (т.е. направление взгляда, линию LOS). Поскольку в рассматриваемом варианте отраженный пучок RB излучения взаимодействует с дефлектором 130 для согласования пучка с направлением взгляда, зона его падения на датчик 185 направления взгляда и, следовательно, отклонение этой зоны от центрального/референтного положения RL1 на датчике направления взгляда фактически характеризует в данном случае взаимную ориентацию оптического пути ОР (вдоль которого световые пучки LB и TB направляются на глаз) и линии LOS (например характеризуемую двумя углами, образованными между проекциями линий LOS и оптического пути ОР на две ортогональные плоскости, параллельные линии LOS).
В данном варианте айтрекинговый контроллер 164 содержит первый субконтроллер 180 (именуемый далее также контроллером направления взгляда), подключаемый к датчику 185 направления взгляда. Данный контроллер сконфигурирован для приема информации RD1, получаемой от комплекта детекторов в составе датчика 185 направления взгляда. Айтрекинговый контроллер 164 и/или первый субконтроллер 180 могут содержать цифровой процессор и/или аналоговый процессорный контур и быть сконфигурированными (например, с помощью соответствующих программного ядра и/или аппаратной конфигурации) для обработки полученной информации RD1 с целью определить угловое отклонение направления взгляда (линии LOS) от оптического пути ОР, по которому оптические пучки LB и/или TB проходят к глазу.
Например, контроллер 180 направления взгляда может быть адаптирован для приема информации RD1, содержащей значения, аккумулируемые индивидуальными детекторами/пикселями датчика 185 направления взгляда, и для обработки этих данных с целью определить номинальное положение (номинальный пиксель) PL1 проекции на датчик 185, соответствующее (соответствующий) центру отраженного пучка RB излучения, падающего на данный датчик. После этого контроллер 180 направления взгляда может определить вектор данных, отображающий расстояние между номинальным положением (номинальным пикселем) и референтным положением RL1 на датчике 185, которое соответствует точному согласованию оптического пути ОР с линией LOS. Таким образом, вектор данных характеризует угловое отклонение ориентации оптического пути ОР для излучения, падающего на глаз, от линии LOS.
В некоторых вариантах, особенно в случаях, когда модуль 160 мониторинга глаза является частью проекционной системы 101, контроллер 180 направления взгляда может также быть подключен к дефлектору 130 для согласования пучка с направлением взгляда. В таких вариантах данный контроллер может быть сконфигурирован для дополнительной обработки вектора данных с целью определить угловое положение дефлектора 130 для согласования пучка с направлением взгляда, требуемое для компенсации рассогласования по углу между оптическим путем ОР и линией LOS, и сгенерировать нужные операционные команды или управляющие сигналы, обеспечивающие требуемое воздействие на дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда.
Например, в определенных вариантах изобретения датчик 185 направления взгляда реализован, как квадратурный датчик, содержащий четыре детектора ИК излучения (четыре фоточувствительных пикселя). Контроллер 180 направления взгляда, который может подключаться к квадратурному датчику 185, сконфигурирован для управления дефлектором 130 для согласования пучка с направлением взгляда таким образом, чтобы минимизировать отклонение отраженного пучка RB излучения от центра (RL1) квадратурного датчика 185. Тем самым обеспечивается, по существу, фиксированная ориентация оптического пути ОР относительно линии LOS, так что изображение, проецируемое световым пучком LB на сетчатку, поддерживается на сетчатке, по существу, в фиксированном положении, даже если пользователь изменяет направление взгляда.
В определенных вариантах контроллер 180 направления взгляда сконфигурирован для воздействия на дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда с целью минимизации отклонения отраженного пучка RB излучения от центра (референтного положения) RL1 только в случаях, когда это отклонение превышает определенный заданный порог (порог тремора), так что отклонение поддерживается на уровнях ниже заданного порога, например (но необязательно) вблизи нуля. Например, контроллер 180 направления взгляда может содержать модуль 181 отфильтровывания тремора, который сконфигурирован для обработки считанных данных RD1 (например для обработки вектора данных, описанного выше) и для отфильтровывания случаев, когда изменения направления взгляда ассоциированы с треморными движениями глаза. Должно быть понятно, что термины тремор и треморные движения используются применительно к микросаккадным движениям, которые являются угловыми саккадными движениями в интервале долей градусов, вплоть до градуса.
В некоторых вариантах модуль 181 отфильтровывания тремора использует заданный (например записанный в его памяти) порог отклонений при треморе. Данный модуль сконфигурирован для обработки считанных данных RD1 (например вектора данных) с целью мониторинга угловых расхождений между направлением взгляда (линией LOS) и оптического пути ОР. Модуль 181 отфильтровывания тремора функционирует следующим образом: если отслеживаемое угловое расхождение меньше, чем порог отклонений при треморе, модуль функционирует, как так называемый разомкнутый сервоконтур, не воздействующий на дефлектор 130 для согласования пучка с направлением взгляда и, следовательно, не компенсирующий отклонения, ассоциированные с треморными движениями. В случае выявления угловых расхождений, превышающих порог отклонений при треморе, модуль 181 отфильтровывания тремора функционирует, как так называемый замкнутый сервоконтур. В этом режиме на актуатор/сервопривод дефлектора 130 подаются соответствующие операционные команды/сигналы, чтобы привести его в действие с целью минимизировать отклонение отраженного пучка RB излучения от центрального/референтного положения RL1 на датчике 185.
Таким образом, модуль 181 отфильтровывания тремора компенсирует изменения направления взгляда, которые не ассоциированы с естественными (непроизвольными) треморными движениями глаза, и не компенсирует изменения, ассоциированные с этими движениями. Это улучшает качество восприятия изображения, проецируемого на сетчатку, поскольку положение изображения на сетчатке смещается как следствие естественных треморных движений глаза, что способствует естественному восприятию изображения глазом.
В некоторых вариантах модуль 160 мониторинга глаза содержит также оптический датчик 175, который является датчиком положения зрачка. Данный датчик содержит массив оптических детекторов, чувствительных к длинам волн трекинг-пучка ТВ и отраженного пучка RB излучения. Например, оптический датчик 175 может содержать квадратурный детектор ИК излучения (например содержащий четыре фотодетектора/пикселя в конфигурации 2×2) и/или позиционно-чувствительный детектор, и/или прибор с зарядовой связью, реализующий режим временной задержки и накопления, и/или КМОП-детектор с функцией "область интереса".
Датчик 175 положения зрачка может быть, например, оптически сопряжен с оптическим путем ОР на отрезке STG1 и установлен таким образом, что он принимает отраженный пучок RB излучения после того, как он отразится от глаза обратно вдоль оптического пути ОР и провзаимодействует с дефлектором 140 для согласования пучка с положением зрачка. Как проиллюстрировано фиг. 3А, в данном примере датчик 175 положения зрачка оптически сопряжен с оптическим путем ОР посредством объединителя ВС3 пучков (например реализованного в виде дихроичного зеркала), который расположен на отрезке STG2 по направлению распространения отраженного пучка RB излучения от глаза вдоль оптического пути ОР за дефлектором 140. Соответственно когда проекция PL2 отраженного пучка RB излучения на датчик 175 положения зрачка центрирована относительно данного датчика (или относительно референтного положения RL2, заданного на данном датчике), это указывает, что оптический путь ОР и, соответственно, трекинг-пучок ТВ и световой пучок LB, несущий изображение, проецируемое на сетчатку, направлены на глаз при правильном поперечном положении. Если же положение PL2 проекции отраженного пучка RB излучения отклоняется от центрального/референтного положения RL2, это указывает, что оптический путь ОР не совпадает с положением глаза/зрачка, так что его нужно сместить для попадания на глаз.
В некоторых вариантах модуль 160 мониторинга глаза и/или айтрекинговый контроллер 164 содержат второй субконтроллер 170 (именуемый далее для облегчения понимания также контроллером положения зрачка), который может подключаться к датчику 175 положения зрачка и к дефлектору 140 для согласования пучка с положением зрачка. Контроллер 170 положения зрачка сконфигурирован для приема информации RD2, получаемой от комплекта детекторов в составе датчика 175 положения зрачка. Айтрекинговый контроллер 164 и/или второй субконтроллер 170 могут содержать цифровой процессор и/или аналоговый процессорный контур и быть сконфигурированными (например, с помощью соответствующих программного ядра и/или аппаратурной конфигурации) для обработки полученной информации RD2 с целью определить поперечное отклонение (например выраженное как расстояния по вертикали и/или горизонтали) оптического пути ОР, по которому оптические пучки LB и ТВ проходят к глазу, от центра глаза/зрачка.
Например, контроллер 170 положения зрачка может быть адаптирован для приема информации RD2, содержащей значения, аккумулированные индивидуальными детекторами/пикселями датчика 175 положения зрачка, и для обработки этих данных с целью определить номинальное положение (номинальный пиксель) PL2 проекции на датчик 175, соответствующее (соответствующий) центру отраженного пучка RB излучения, падающего на данный датчик. После этого контроллер 170 положения зрачка может определить второй вектор данных, отображающий расстояние между положением/пикселем PL1 проекции и референтным положением RL1 на датчике 175, которое соответствует точному согласованию оптического пути ОР с положением глаза.
В некоторых вариантах контроллер 170 положения зрачка может также быть подключен к дефлектору 140 для согласования пучка с положением зрачка. Данный контроллер может быть сконфигурирован для дополнительной обработки второго вектора данных с целью определить, существует ли необходимость в компенсации поперечного отклонения оптического пути ОР от положения центра глаза/зрачка, и, если да, сгенерировать нужные операционные команды или управляющие сигналы, обеспечивающие требуемое воздействие на дефлектор 140, чтобы скомпенсировать указанное отклонение.
На фиг. 3В представлена блок-схема способа 300 мониторинга линии зрения (направления взгляда) и положения глаза или другой оптической системы. В некоторых вариантах изобретения айтрекер 105 и/или модуль 160 мониторинга глаза, показанные на фиг. 3А, сконфигурированы для реализации операций данного способа, описываемых далее.
Способ 300 включает опционные операции 310 и 320 (например аналогичные операциям 210 и 220, описанным выше), связанные с использованием первого и второго дефлекторов (например дефлектора 130 направления взгляда и дефлектора 140 положения зрачка, показанных на фиг. 3А и 1В), установленных на оптическом пути в оптической системе (например в блоке 150). Рабочие состояния/угловые положения первого и второго дефлекторов (например дефлекторов 130 и 140) ассоциированы соответственно с настройкой ориентации и поперечного положения трекинг-пучка ТВ за выходным зрачком/портом ЕР.
Способ 300 включает также опционные операции 330 и 340, связанные соответственно с использованием первого и второго оптических датчиков, сконфигурированных для детектирования отраженного пучка RB, который проходит через выходной зрачок/порт и распространяется вдоль оптического пути ОР. Каждый из первого и второго оптических датчиков содержит массив оптических детекторов. Первый оптический датчик (например датчик 185 направления взгляда - см. фиг. 3А) установлен на оптическом пути ОР оптической системы и сконфигурирован с возможностью детектировать отраженный пучок RB излучения, прошедший через выходной зрачок, после того как этот пучок провзаимодействует с первым дефлектором (например с дефлектором 130). Второй оптический датчик (например датчик 175 положения зрачка - см. фиг. 3А) установлен на оптическом пути ОР оптической системы и сконфигурирован с возможностью детектировать отраженный пучок RB излучения, прошедший через выходной зрачок, после того как этот пучок провзаимодействует со вторым дефлектором пучка (например с дефлектором 140). Соответственно, как было отмечено выше, расхождение между номинальным положением PL1 проекции отраженного пучка RB на первый оптический датчик 185 и заданным референтным положением RL1 на этом датчике характеризует требуемую компенсацию ориентации трекинг-пучка ТВ (например указывает на требуемую настройку по меньшей мере параметра отклонения первого дефлектора так, чтобы уменьшить отклонение ориентации трекинг-пучка от ориентации линии LOS). Аналогично, расхождение между номинальным положением PL2 проекции отраженного пучка RB на первый оптический датчик 185 и заданного референтного положения RL2 на этом датчике характеризует требуемую компенсацию поперечного положения, в котором трекинг-пучок ТВ выходит из выходного зрачка ЕР (например указывает на требуемую настройку по меньшей мере параметра отклонения второго дефлектора так, чтобы уменьшить смещение поперечного положения трекинг-пучка относительно поперечного положения линии LOS).
Опционная операция 350 включает обеспечение прохождения трекинг-пучка ТВ через оптическую систему (например через блок 150). Как было отмечено выше, трекинг-пучок может быть пучком инфракрасного излучения.
Операция 360 состоит в получении считанных данных RD1 от первого датчика 185. Считанные данные/сигналы RD1 характеризуют положение PL1 проекции пучка RB на первом датчике 185. Операция 370 включает регулировку по меньшей мере первого дефлектора, чтобы скомпенсировать изменения направления взгляда/линии зрения (LOS) (например чтобы скомпенсировать/уменьшить изменения, не ассоциированные с треморными движениями глаза). Например, контроллер 164 может содержать модуль/контур (контроллер положения зрачка) 180, который согласно определенным вариантам изобретения управляет по меньшей мере первым дефлектором пучка в соответствии со способом 307, который иллюстрируется фиг. 3С.
Как показано на фиг. 3С, способ 307 включает по меньшей мере операцию 440 подстройки под направление взгляда, которая состоит в регулировке дефлектора 130 для согласования направления пучка с направлением взгляда с целью компенсировать изменения направления взгляда. Операция 440 включает два главных шага.
На шаге 442 производится обработка данных/сигналов, считанных с пикселей первого датчика (датчика направления взгляда) 185, чтобы получить оценку относительного номинального положения PL1 проекции отраженного пучка RB излучения на первый датчик 185.
На шаге 444 производится настройка угла отклонения/состояния дефлектора 130 для согласования пучка с направлением взгляда в соответствии с номинальным положением PL1 проекции таким образом, чтобы уменьшить угловое расхождение между оптическим путем/осью ОР пучка RB излучения, отраженного от глаза, и линией LOS.
3
4
Шаги 442 и 444 повторяют в цикле с высокой частотой (например с частотой более 10 Гц и, возможно, с еще более высокой частотой, например 10 Гц), по меньшей мере с частотой, превышающей "частоту восприятия человеческого глаза", так что, когда пользователь изменяет направление своего взгляда, он не замечает никакого мелькания (например в виде любого смещения, размытия и/или срезания) изображения, проецируемого на его глаз. При этом операции 442 и 444 могут производиться посредством аналоговых контуров и/или цифровых процессорных модулей. Например, датчик направления взгляда может представлять собой квадратурный детектор, содержащий четыре расположенных по окружности пикселя Q1-Q4. Контроллер/процессорный модуль может содержать два блока вычитания, первый из которых предназначен для вычитания из суммы сигналов напряжения, принятых от пикселей Q1+Q2, суммы сигналов от пикселей Q3+Q4. Второй такой блок предназначен для вычитания из суммы сигналов напряжения, принятых от пикселей Q2+Q3, суммы сигналов от пикселей Q4+Q1. Выходной сигнал первого блока вычитания характеризует отклонение положения PL1 проекции отраженного пучка RB от центра датчика 185 (в этом примере от референтного положения RL1). Выходной сигнал первого блока вычитания может подаваться на сервоактуатор управления наклонами вверх-вниз дефлектора 130 для согласования пучка с направлением взгляда с целью настройки ориентации трекинг-пучка ТВ в вертикальной плоскости в соответствии с направлением взгляда. Аналогично, выходной сигнал второго блока вычитания может подаваться на сервоактуатор управления поворотами налево-направо дефлектора 130 для согласования пучка с направлением взгляда с целью настройки ориентации трекинг-пучка ТВ в горизонтальной плоскости в соответствии с направлением взгляда. Эта обработка может включать только небольшое количество вычислительных операций, так что она может выполняться достаточно быстро, чтобы время реакции было неразличимо для пользователя. Масштаб смещений также задается общей энергией, падающей на все квадранты датчика, т.е. q1+q2+q3+q4, так что разрешение пропорционально количеству энергии, достигающей датчика.
-3
-4
Как было отмечено выше, операция 370 может осуществляться так, что компенсируются только изменения направления взгляда/линии LOS, которые не ассоциированы с треморными движениями глаза. С этой целью способ 307 может также включать опционные операции 410-434, которые фактически отфильтровывают тремор. На операциях 410 и 420 получают и обрабатывают считанные данные/сигналы RD1 от оптического датчика 185, чтобы определить/получить оценку вектора данных, характеризующего величину и направление отклонения положения PL1 проекции отраженного пучка RB излучения от референтного положения RL1 на датчике 185. Специалисту в данной области должно быть ясно, что известны различные методы, пригодные для получения оценки вектора данных при известном количестве и расположении фотодетекторов/пикселей на датчике 185. Затем выполняется операция 430 с целью определения/получения оценки того, является ли отклонение положения PL1 проекции отраженного пучка RB излучения от референтного положения RL1 малым отклонением, ассоциированным с треморными движениями глаза, или достаточно большим отклонением, подлежащим компенсации как свидетельствующее об изменении направления взгляда. Если отклонение является малым (т.е. соответствует только треморному движению), операция 434 для согласования пучка с направлением взгляда выполняется в режиме незамкнутого сервоконтура дефлектора 130 (например путем выполнения описанной выше операции 440). Если отклонение является достаточно большим, чтобы рассматриваться как изменение направления взгляда, а не просто тремор, операция 432 выполняется с использованием замкнутого сервоконтура направления взгляда (т.е. как вариант операции 440). В результате обеспечивается оперативная компенсация направления взгляда со временем отклика менее 10 с или порядка 10 с, или даже менее, тогда как компенсация треморных движений не производится.
В некоторых вариантах данные/сигналы RD1, считанные с оптического датчика 185, подаются также в дополнительный замкнутый сервоконтур, реагирующий на скорость и/или ускорение. Чтобы оценить характеристики скорости и/или ускорения движения зрачка, соответствующие замкнутые сервоконтуры могут использовать первую и вторую производные сигналов RD1. В этих вариантах данные о скорости и/или ускорении используются, чтобы идентифицировать/детектировать саккадное движение на ранних стадиях путем идентифицирования ситуации, когда скорость и/или ускорение превысят определенные пороги. Это обеспечивает получение более точной оценки и раннее детектирование саккадного движения.
Возвращаясь к фиг. 3В, на операции 380 способа 300 производится считывание данных RD2 со второго датчика 175. Считанные данные/сигналы RD2 характеризуют положение PL2 проекции отраженного пучка RB на второй датчик 175. На операции 390 контроллер 164 и/или иной контур управляют по меньшей мере вторым дефлектором, чтобы компенсировать другие расхождения между относительными положениями глаза и оптического блока 150 (например чтобы компенсировать/корректировать поперечное смещение оси распространения трекинг-пучка ТВ относительно линии зрения). Например, контроллер 164 может содержать процессорный блок (модуль/контур) 170, который согласно определенным вариантам изобретения управляет по меньшей мере вторым дефлектором пучка в соответствии со способом 308, проиллюстрированным блок-схемой по фиг. 3D.
Как показано на фиг. 3D, способ 308 включает по меньшей мере операцию 450 серворегулирования отклонения от поперечного положения зрачка, обеспечивающую настройку поперечного положения трекинг-пучка ТВ (или любого другого пучка излучения, распространяющегося вдоль оптического пути ОР и выходящего через выходной зрачок ЕР), чтобы компенсировать отклонения от положения зрачка. Операция 450 включает два главных шага.
На шаге 452 производится обработка данных/сигналов RD2, считанных с пикселей второго датчика (датчика положения зрачка) 175, чтобы получить оценку относительного номинального положения PL2 проекции отраженного пучка RB излучения на второй датчик 175.
На шаге 454 производится настройка угла отклонения/состояния дефлектора 140 для согласования пучка с положением зрачка в соответствии с номинальным положением PL2 проекции таким образом, чтобы уменьшить поперечное расхождение между оптическим путем/осью ОР пучка RB излучения, отраженного от глаза, и поперечным положением зрачка.
-3
-4
Шаги 452 и 454 могут выполняться посредством блока цифровой обработки и/или подходящим электрическим процессорным контуром, образующим контроллер 170 положения зрачка в составе контроллера 164 или составляющим его часть. Шаги 452 и 454 могут выполняться в цикле, обеспечивая быстрый отклик на изменения положения глаза относительно выходного зрачка ЕР с временем реакции 10 с или даже менее (например порядка 10 с).
Таким образом, способ 300 предлагает технологию для трекинга и компенсацию угловых и поперечных смещений глаза/зрачка относительно оптического пути ОР в оптическом блоке 150.
В некоторых вариантах изобретения источник 162 трекинг-пучка способен генерировать трекинг-пучок ТВ в форме модулированного пучка, имеющего определенный тип модуляции (например модуляции по интенсивности, обеспечивающей последовательность импульсов с определенной частотой повторения). Как было отмечено выше, источник 162 трекинг-пучка может, например, содержать источник ИК излучения (например ИК лазерный диод) и модулирующий блок/модуль, сконфигурированный для модулирования пучка ТВ от источника. Модулирующий блок/модуль может содержать, например, контур операционного управления, сконфигурированный для управления источником света в режиме импульсной модуляции по интенсивности, и/или оптический модулятор, установленный на оптическом пути пучка ТВ излучения от своего источника. На фиг. 3Е представлена не требующая объяснений схема замкнутого сервоконтура по изобретению, который используется для мониторинга/трекинга положения глаза и/или направления взгляда в случае, когда трекинг-пучок ТВ является модулированным пучком. Как вариант, модуль 160 мониторинга глаза содержит полосовой фильтр, настроенный/сконфигурированный для пропускания только определенной спектральной полосы в излучении трекинг-пучка ТВ таким образом, чтобы отфильтровывать шум, находящийся вне этой спектральной полосы. Модуль 160 мониторинга глаза содержит, в качестве опции, модули 182 и 172 фазовой синхронизации, ассоциированные соответственно с контроллером 180 направления взгляда и с контроллером 170 положения зрачка. Опционный модуль 182 фазовой синхронизации сконфигурирован для получения промодулированных данных/сигналов, характеризующих паттерн модуляции трекинг-пучка ТВ, и для использования этих данных/сигналов при обработке/фазовой синхронизации информации RD1, полученной от датчика 185 направления взгляда, в соответствии с паттерном модуляции трекинг-пучка ТВ, а также для отфильтровывания от полученной информации RD1 данных, ассоциированных с шумом (в том числе фоновым), воспринятым датчиком 185 направления взгляда. Более конкретно, модуль 182 фазовой синхронизации проводит фильтрацию полученной информации RD1, чтобы удалить из нее данные/сигналы, которые не промодулированы таким же образом, что и трекинг-пучок ТВ, служащий источником отраженного пучка, воспринимаемого датчиком 185 направления взгляда. Аналогичным образом опционный модуль 172 фазовой синхронизации сконфигурирован для получения промодулированных данных/сигналов, характеризующих паттерн модуляции трекинг-пучка ТВ, и для использования этих данных/сигналов для обработки/фазовой синхронизации информации RD2, полученной от датчика 175 положения зрачка в соответствии с паттерном модуляции трекинг-пучка ТВ. В результате модуль 172 фазовой синхронизации фильтрует полученную информацию RD2 и подавляет в ней данные/сигналы, ассоциированные с шумом (в том числе фоновым), воспринятым датчиком 175 положения зрачка. Более конкретно, модуль 172 фазовой синхронизации проводит фильтрацию полученной информации RD2 так, чтобы удалить из нее данные/сигналы, которые не промодулированы таким же образом, что и трекинг-пучок ТВ.
В итоге обеспечивается устойчивая и надежная конфигурация, которая менее чувствительна или вообще нечувствительна к фоновому шуму в излучении на длинах волн трекинг-пучка ТВ.
Таким образом, изобретение обеспечивает создание проекционного устройства 100, способного направлять световой пучок, такой как проецирующий изображение пучок LB, по меньшей мере к одному глазу пользователя с правильной ориентацией относительно глаза, так что изображение может проецироваться в желательное положение на сетчатке глаза. В определенных вариантах проекционное устройство 100 сконфигурировано для мониторинга изменений положения глаза и/или ориентации линии LOS и для отклонения светового пучка (например пучка LB) таким образом, чтобы отслеживать положение и ориентацию глаза..В результате изображение может проецироваться на фиксированную зону сетчатки глаза, даже если пользователь изменит направление своего взгляда или же проекционное устройство сместится относительно глаза.
На фиг. 4 представлена блок-схема проекционного устройства 100, содержащего проекционные системы 101 и 101' для проецирования изображений на оба глаза пользователя (обозначенные, как ГЛАЗ и ГЛАЗ'). Проекционные системы 101 и 101' могут быть, например, сконфигурированы аналогично проекционной системе, описанной выше со ссылкой на фиг. 3А. Соответственно, далее обозначения, использованные на фиг. 3А, используются применительно к сходным элементам/модулям проекционной системы 101 по фиг. 4, а схожие обозначения с добавлением знака ' используются применительно к элементам/модулям проекционной системы 101' по фиг. 4.
Устройство 100 устанавливается на очки GS виртуальной и/или расширенной реальности, содержащие линзы 102 и 102'. Для большей наглядности на фиг. 4 показаны также дужки и носовая перемычка очков GS. Проекционные системы 101 и 101' проецируют трекинг-пучки ТВ и ТВ' соответственно, направляемые к глазам пользователя в результате отражения от отражающих поверхностей линз 102 и 102' соответственно. Отраженные в обратном направлении пучки RB и RB' излучения принимаются датчиками, имеющимися в проекционных системах 101 и 101' соответственно, и сигналы от датчиков обрабатываются, чтобы определить положения глаз и направление взгляда и настроить пути распространения пучков в проекционных системах 101 и 101'. Эти системы 101 и 101' проецируют также несущие изображения световые пучки LB и LB', которые распространяются по настроенным оптическим путям в проекционных системах 101 и 101', так что указанные пучки проецируют соответствующие изображения на фиксированные зоны сетчатки глаз (обозначенных, как ГЛАЗ и ГЛАЗ' соответственно).
В этом примере проекционные системы 101 и 101' используют общий контроллер 170 положения зрачка. Этот общий контроллер может подключаться к первому датчику 175 положения зрачка первой проекционной системы 101, а также ко второму датчику 175' положения зрачка второй проекционной системы 101'. Контроллер 170 положения зрачка сконфигурирован для приема и обработки данных RD2 и RD2', считанных с обоих датчиков 175 и 175' положения зрачка (например, как это описано выше со ссылкой на способ 308) и для определения смещения зрачков обоих глаз. После этого контроллер 170 положения зрачка детектирует "общие характеристики" в изменениях положений зрачков обоих глаз пользователя. Это позволяет дифференцировать смещения, которые ассоциированы с движениями глаз, и смещения, ассоциированные с движением проекционного устройства относительно глаз. Такая дифференциация позволяет компенсировать смещения проекционной системы, например, путем изменения масштаба и настройки положения проецируемого изображения с учетом осевых и поперечных смещений проекционной системы соответственно.
На фиг. 5А и 5В представлены два примера, наглядно (не требуя дополнительных пояснений) иллюстрирующие возможность встраивания изобретения в наголовный дисплей (НД), применимый во многих приложениях.
На фиг. 5А изображен пользователь, имеющий НД с интегрированным айтрекером. Система в целом содержит наголовный оптический модуль и модуль управления, который может быть либо частью наголовного модуля или отдельного модуля, подсоединяемого к оптическому модулю. Связь между модулями может быть проводной или беспроводной. Оптический модуль снабжен айтрекинговым модулем, осуществляющим трекинг положения зрачка и направления взгляда отдельно для каждого глаза относительно референтных точек устройства. Это точное измерение параметров глаз пользователя рассматривается (как это описано выше) в качестве оценки направления взгляда относительно оптического модуля. По меньшей мере одна камера и один инерциальный измерительный блок используются, чтобы определять положение оптического модуля в окружающем пространстве. Результат этого измерения рассматривается как локализация головы пользователя, причем для этой цели обычно используется комплект камер и дополнительных датчиков, таких как инерциальные измерительные блоки, причем применяется слежение за особенностями или за специальным маркером. Привязывание положения устройства к окружающему пространству (локализация) и параметры взгляда пользователя обеспечивают возможность точного айтрекинга относительно окружающего пространства. Совмещение информации по обоим глазам обеспечивает не только информацию о том, в каком направлении смотрит пользователь, но также, с какого расстояния. Это позволяет намного более точно демонстрировать контент, воспроизводимый системой НД.
На фиг. 5В изображен пользователь, наблюдающий за объектом (в данном случае за автомобилем). Используется система НД, описанная выше, но дополнительно сконфигурированная с возможностью проецирования пользователю изображения, которое накладывается на реальный объект. Пользователь поочередно смотрит на переднее и на заднее колеса автомобиля. Айтрекинговая система определяет направление взгляда пользователя. Система сконфигурирована так, что виртуальное поле зрения центрировано на направлении взгляда пользователя. Поэтому, когда пользователь смещает свой взгляд, виртуальное изображение следует за ним. Важно отметить, что визуальный контент, центрированный на взгляде пользователя, может быть либо эгоцентричным - обеспечивающим наложение виртуального изображения при сильной привязке, в основном, к направлению взгляда, - либо привязанным к окружающему пространству - обеспечивающим виртуальный слой, соотносящийся с реальной окружающей средой. Такая возможность требует не только функциональности в части локализации, но также картирования (т.е. одновременной локализации и построения карты). В данном примере возможности локализации и картирования реализованы применительно к изображению, и виртуальная информация (накладываемая на "переднее колесо" или "заднее колесо") представляется пользователю с привязкой к направлению взгляда и, соответственно, к объекту, на который пользователь смотрит в любой конкретный момент.