[发明专利]采用一个或多个菲涅尔透镜的头戴式显示装置

说明书

本专利申请交叉引用的相关专利申请

本专利申请要求以下优先权：申请日为2011年8月17日、申请号为13/211,365的美国专利申请；及美国临时申请案61/405,440（名称为头戴式显示器，申请日为2010.10.21）。美国临时申请案61/417,325（名称为弧面堆叠的菲涅尔结构，申请日为2010.11.26）美国临时申请案61/417,326（名称为弧形光束分光器结构，申请日为2010.11.26）美国临时申请案61/417,327（名称为菲涅尔透镜和平直光束分光器组合结构，申请日为2010.11.26）美国临时申请案61/417,328（名称为菲涅尔透镜和弧面光束分光器组合结构，申请日为2010.11.26）美国临时申请案61/427,530（名称为用于头戴式显示装置的弧面镜，申请日为2010.12.28）全部以引用的方式并入本文中。

技术领域

本申请涉及一种采用一个或多个菲涅尔透镜的头戴式显示装置。在具体实施例中，所述头戴式显示装置也采用一个或多个光学反射面，如，一个或多个自由曲面、超宽视角的光学反射面（下文中缩写为FS/UWA/RO反射面），在具体实施例中，整个光学系统是一非瞳孔成形系统，即，整个系统的控制孔径（孔径光阑）是用户眼睛的瞳孔。

所述一个或多个菲涅尔透镜及，当使用时，所述一个或多个光学反射面（例如，一个或多个FS/UWA/RO反射面）被用于显示来自一紧挨着用户眼睛的发光的显示系统产生的影像。

背景技术

诸如军用头盔显示器或眼镜式显示器的头戴式显示装置（缩写为HMD）是一种配戴在人们头部的显示装置，其具有一个或多个放置于一只眼睛附近，更常见地，放置于用户双眼附近的小型显示器件。

相对于真实世界图像来说，一些头戴式显示装置仅仅提供模拟（计算机生成）图像， 因此经常被称为“虚拟现实”的头戴式显示装置或沉浸式头戴式显示装置。还有一些头戴式显示装置在非模拟的真实世界图像上添加（融合）模拟图像。非模拟的图像和模拟图像的融合使得头戴式显示装置的用户观看世界，例如，通过其上设有与执行的任务相关的附加数据的遮光板或目镜叠加在用户的前方视场（FOV）上，这种叠加有时称为“增强现实技术”或“混合现实技术”。

将一非模拟的真实世界图像和一模拟图像合成可以通过使用一部分反射/部分透射的光学表面（一“分光器”）实现，其中，光学表面的反射特性用于显示模拟图像作为一虚像（在光学意义上的），光学表面的透射特性用于允许用户直接观看真实世界（称为“光学穿透式系统”）。将一真实世界的视图与一模拟图像合成可以以电子方式实现，通过接收自照相机的真实世界的视图视频，利用一合成器与一虚像电子混合（称为“视频穿透式系统”）；合成后的图像可以作为虚像（在光学意义上的）通过一光学反射面呈现给用户，在这种情况下，不需要透射特性。

如前所述，可以看出的是用于头戴式显示装置的光学反射面可以给使用者提供：(1) 模拟图像与非模拟的、真实世界图像的合成，(2) 模拟图像与真实世界视频图像的合成，或(3) 纯粹是模拟图像。（最后一种情况常被称为“沉浸式系统）在每种情况下，光学反射面产生一用于使用者观察的虚像（在光学意义上的）。以往，这样的光学反射面是光学系统的一部分，这样的光学系统的出射光瞳实质上并不仅仅限制对提供给用户的动态视场，也限制静态视场。特别地，为了看见光学系统产生的图像，用户需要将他/她的眼睛对准光学系统的出射光瞳并就这样保持对准，即使那样，用户可见的图像并不能覆盖用户的全部的静态视场。即，现有的用于头戴式显示装置的采用光学反射面的光学系统为部分瞳孔成形系统因而是出射光瞳受限的。

光学系统如此受限的原因在于一个基本的事实那就是人类的视场相当大，因而，人眼的静态视场包括眼部的视网膜中央凹视力和周边视力近似为水平方向上大约150°和垂直方向上大约130°。（为了本发明的目的，150度用于作为名义人眼的正前方静态视场）。具有出射光瞳可以提供如此大的静态视场的理想的光学系统少之又少，如果存在，也是非常昂贵和笨重。