[发明专利]人体工程学头戴式显示设备和光学系统

权利要求书

1.一种自由形状波导棱镜，包括至少三个物理表面，每个物理表面包含设置于其上的多个反射和折射自由形状光学表面，其中由所述物理表面限定的内部空间由折射率(n)大于1的折射介质填充，其中所述多个反射和折射表面折叠和延长光路长度，以使所述波导能够适合眼镜形状，这使得图像显示单元能被置于头部的侧面，并实现相对于正前方在太阳穴方向最高达90°、相对于正前方在鼻子方向最高达60°、以及相对于正前方在上方和下方最高达60°的宽广透视视场，其中在适合眼镜形状因素和最大厚度的限制条件下设计其内表面和外表面，以使所述多个自由形状反射和折射光学表面在不产生图像失真的情况下将光导向用户的瞳孔，所述物理和光学表面包括：

a.朝着所述用户瞳孔设置的物理内表面(115)，其中所述物理内表面被限制为接近眼镜形状因素的预指定曲面，其中所述内表面被配置为以最小失真度将图像反射到所述用户的眼球；

b.朝着外部场景设置的物理外表面(125)，其中所述物理外表面被配置为以最小失真度将图像反射到所述用户的瞳孔，其中所述物理外表面在所有点上位于所述内表面的最大距离内，其中所述物理外表面包含至少一个折射表面以允许来自所述外部场景的光穿过所述波导并到达所述用户的眼球；

c.物理边缘表面(120)，其包含使来自图像显示单元的光进入所述波导的折射表面；

d.被设置于所述物理表面之一上的折射入射表面(130)，其允许来自图像显示单元的光进入所述波导；

e.被设置于所述物理内表面上、接近所述用户的瞳孔且允许光离开所述波导的折射出射表面(135)；以及

f.被设置于所述物理内表面和外表面上的为三个或更多个的多个自由形状反射表面，其中通过满足全内反射条件，或者通过在所述波导的所述表面上施加半透明的部分反射涂层来产生每次反射；其中这些反射被优化以最小失真度沿着所述波导的内部引导所述光，其中多次反射延长所述光路长度，以使所述波导实现宽广透视视场、以及适合与人的头部相称的尺寸；因此，来自图像显示单元(105)的光(140)通过所述折射入射表面(130)进入所述波导；

g.第一参考表面(230)，其接近普通人头部的形状，其中所述内表面被限制为位于所述第一参考表面之外，通过Y_ref1、Z_ref1以及Y_HIPD定义所述第一参考表面，其中Y_ref1是所述头部的中线与所述第一参考表面的中心之间在Y方向上的距离，Z_ref1是所述瞳孔与所述第一参考表面的中心之间在Z方向上的距离，以及Y_HIPD是从所述瞳孔到所述头部的中点在Y方向上的距离；

h.第二参考表面(240)，其限制所述波导从用户的脸部向外投射的程度，其中所述内表面被限制为位于所述第二参考表面之内；

i.所述物理内表面(115)与物理外表面(125)之间的最大距离；

j.所述波导在水平维度上从瞳孔到太阳穴的宽度(244)的上下限，以使所述波导到达所述头部的侧面并且足够宽以产生通过其上边界(290a)设定的指定透视视场；

k.所述波导在所述水平维度上从瞳孔到鼻子方向的宽度(246)的上下限，以使所述波导足够宽以产生通过其下边界(290b)设定的指定透视视场，但是不与鼻梁抵触；

l.在垂直维度上所述波导从瞳孔开始的高度的下限，以使所述波导足够宽以产生通过其上边界(290c)或下边界(290d)设定的指定透视视场；

m.表面分段(215a)，其中所述内表面被限制为适合眼镜形状因素，其中所述表面分段的宽度以投射在所述内表面上的所述指定透视视场在水平方向上的上边界(290a)和下边界(290b)为界，并且所述表面分段的高度以投射在所述内表面上的所述指定透视视场在垂直方向上的上边界(290c)和下边界(290d)为界，其中所述表面分段的局部曲率半径以取决于眼镜形状因素的范围为界；

然后，光(140)沿着所述波导循路径(145)而行，该路径包括在从所述折射入射表面(130)到所述折射出射表面(135)的所述多个反射表面上的所述多次反射，其中通过满足全内反射条件，或者通过在所述表面上施加的半透明涂层来产生每次反射；

然后，光(140)穿过所述折射出射表面(135)，超出该表面，所述用户利用所述瞳孔(150)观察所述图像；

然后，来自所述外部场景的光(198)在到达所述瞳孔(150)之前，通过所述波导的所述物理外表面(125)以及所述波导的所述物理内表面(115)进行折射，其中通过所述波导的所述透视视场在太阳穴方向上最高达90°，在鼻子方向上最高达60°，在正前方的上方和下方最高达60°，

因此，所述波导的内表面和外表面的形状在这些限制内被优化以最小化从所述波导的入射点到所述波导的出射点的光学失真。