[发明专利]人体工程学头戴式显示设备和光学系统

说明书

本发明涉及人体工程学头戴式显示设备和光学系统。本发明设计一种具有眼镜外观的人体工程学光学透视头戴显示设备。所述透视头戴显示设备由用于观察虚拟显示图像的透明自由波导棱镜、当与所述棱镜结合使用时，用于正确观察真实世界场景的透视补偿透镜，以及用于提供显示内容的微型图像显示单元组成。包含多个自由折射和反射表面的所述自由波导将所述微型显示单元产生的光线导入用户瞳孔并允许用户观察放大的显示内容图像。包含多个自由折射表面的透视补偿透镜允许通过组合的波导和透镜正确地观察周围环境。所述波导棱镜和所述透视补偿透镜被正确地设计为在人体工程学上适合人的头部，从而构建出轻型、紧凑的包覆型透视显示系统设计。

本申请是申请日为2011年12月22日、申请号为201180068447.7、发明名称为“人体工程学头戴式显示设备和光学系统”的申请的分案申请。

交叉引用

本申请要求在2010年12月24日提交的序列号为61/427,162的美国临时申请的优先权，该申请的全文通过全部引用并入于此。

技术领域

本发明一般地涉及光学透视头戴式显示(OST-HMD)设备。更具体地说，本发明涉及符合人体工程学设计的自由形状(freeform)光学系统，该系统在具有眼镜形状外观和宽广透视视场(FOV)的光学透视HMD中用作光学观察设备。

背景技术

长期的应用证明头戴式显示器(HMD)对于跨科学可视化、医学和军事训练、工程设计和原型设计、远程操作和远程呈现、以及个人娱乐系统等领域的许多应用而言极为重要。在混合和增强现实系统中，光学透视HMD是将计算机生成的虚拟场景与真实世界场景视图(view)进行组合的基本方式之一。一般而言，通过光学组合器，OST-HMD在光学上将计算机生成的图像覆盖在真实世界视图上，同时保持直接、品质降级最小的真实世界视图。OST-HMD在创建移动显示解决方案方面具有巨大潜力，移动显示解决方案可提供比诸如智能手机和PDA之类的其它流行移动平台更吸引人的图像质量和屏幕大小。

另一方面，尽管HMD设计在过去十几年内取得了非常重要的发展，但是始终存在许多技术与可用性方面的障碍，从而阻止这项技术被要求较高的应用和日常使用广泛接受。HMD的其中一个主要障碍是具有笨拙的头盔形式因素，这样阻止了许多要求较高的应用和新兴的应用接收此技术。所应用的现有光学设计方法几乎没有一种能够创建可用作眼镜式近眼显示器的真正便携、紧凑和轻型的非侵入式HMD设计。太大的重量导致疲劳和不适，并被视为基于HMD应用的主要障碍。此外，提供阻挡最小、品质降级程度最低的宽广透视FOV的能力对于执行日常工作而言至关重要。近几年来，自由形状表面已被引入HMD系统设计[编号为5,699,194、5,701,202、5,706,136的美国专利。D.Cheng,et al.,“Design of anoptical see-through head-mounted display with low f-number and large field ofview using a freeform prism”,Applied Optics,48(14),2009]，旨在减小系统重量并创建轻型HMD。但是在当今的市场上，仍然没有能够同时满足人体工程学需求和性能需求的解决方案。我们的工作目标在于开发具有眼镜形式因素和宽广透视FOV的解决方案，同时保持卓越的性能。

发明内容