[发明专利]具有集成成像和波导棱镜的头戴式光场显示器

权利要求书

1.一种头戴式显示器集成成像InI系统，包括：

微观InI单元(130)，其被配置成在沿所述系统的光轴的所选方位处创建所选3D场景的光场；

中继单元(220)，其具有设置在其中的变焦元件VFE(122)，所述中继单元(220)被设置在所述光轴上的一位置处，因此所选方位是所述中继单元(220)的光学共轭，所述中继单元(220)被配置成接收由所述微观InI单元(130)创建的所选3D场景的光场；以及

自由形式波导棱镜(850)，用于接收来自所述中继单元(220)的光，从而在所述系统的出射光瞳处提供3D场景的图像，以供头戴式显示系统的用户观看，所述自由形式波导棱镜(850)包括：

第一自由形式光学表面，其被设置成接收来自所述光场的光并且将接收到的光折射到所述棱镜(850)的主体中；

第二自由形式光学表面，其被设置成接收来自所述第一自由形式光学表面的折射光，并且将所述光反射到所述棱镜(850)的主体中，以在所述棱镜(850)的主体内的所选位置处提供所述光场的中间图像；

第三自由形式光学表面，其被设置成接收来自所述中间图像的光，并且将所述光全内反射到所述棱镜(850)的主体中；以及

第四自由形式光学表面，其被设置成接收来自所述第三自由形式光学表面的反射光，并且以一角度将所述光往回反射到所述第三自由形式光学表面，所述角度允许所述光离开所述棱镜(850)，所述第一至第四自由形式光学表面进行协作，以使得通过所述第三自由形式光学表面离开所述棱镜(850)的光在所述棱镜(850)外部的所选位置处产生所述光场的图像，

其中，所述VFE(122)被配置成调整所述中间图像在所述棱镜(850)的主体内的位置。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示器集成成像InI系统，其中所述第二自由形式光学表面被配置成将光全内反射到所述棱镜(850)的主体中。

3.根据权利要求1所述的头戴式显示器集成成像InI系统，其中所述第二自由形式光学表面被镜面化，以将光反射到所述棱镜(850)的主体中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器集成成像InI系统，其中所述第三自由形式光学表面被配置成将来自所述第二自由形式光学表面的光全内反射到所述棱镜(850)的主体中。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的头戴式显示器集成成像InI系统，其中所述第四自由形式光学表面被镜面化。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的头戴式显示器集成成像InI系统，其中所述第四自由形式光学表面包括分束涂层。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的头戴式显示器集成成像InI系统，其中对于正交的X-Y-Z坐标系，Z轴沿着观看方向，Y轴平行于与用户的瞳孔间方向对齐的水平方向，并且X轴在与用户的头部取向对齐的垂直方向上。

8.根据权利要求7所述的头戴式显示器集成成像InI系统，其中所述自由形式波导棱镜(850)关于水平Y-Z平面对称。

9.根据权利要求7所述的头戴式显示器集成成像InI系统，其中所述第一至第四自由形式光学表面沿着水平的Y轴偏心并且围绕垂直的X轴旋转。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的头戴式显示器集成成像InI系统，其中所述第一至第四自由形式光学表面中的任一个的形状由下式给出：

其中z是沿着局部x、y、z坐标系的z轴测量的自由形式表面的下陷度，c是顶点曲率CUY，r是径向距离，k是圆锥常数，并且C是x^myⁿ的系数。

11.根据权利要求1-3中任一项所述的头戴式显示器集成成像InI系统，其中所述微观InI单元(130)被配置成再现具有受约束观看区的3D场景的全视差光场。