[發明專利]人機工程學的頭戴顯示設備和光學系統

在審

• 申請號: 201380058207.8
• 申請日: 2013-09-11
• 公開（公告）號: CN104813218A
• 公開（公告）日: 2015-07-29
• 發明（設計）人: C·高
• 申請（專利權）人: 奇躍公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 牛南輝;楊曉光

技術領域

本申請通常涉及光學透視頭戴顯示器(OST-HMD)設備，更具體地，涉及在具有眼鏡形狀外觀和寬透視視場(FOV)的光學透視HMD中用作光學觀察設備的符合人機工程學設計的自由形態光學系統。

背景技術

頭戴式顯示器(HMD)已經被長時間證明了對于許多應用是非常有價值的，橫跨了科學可視化、醫學和軍事訓練、工程設計和樣機研究、遠程操控和遠程呈現、以及個人娛樂系統的領域。在混合與增強現實系統中，光學透視HMD是將計算機生成的虛擬場景和真實世界場景視圖組合的基本方法之一。典型地，通過光學組合器，在保持直接的、最低程度退化的真實世界視圖的同時，OST-HMD將計算機生成的圖像光學地疊加(overlay)在真實世界視圖上。OST-HMD對于創造移動顯示解決方案具有很大的潛能，該移動顯示解決方案提供比其他大眾的移動平臺(例如智能電話和PDA)更具吸引力的圖像質量和屏幕尺寸。

另一方面，盡管過去的幾十年在HMD設計上取得了重大進步，但是還存在許多技術上和使用上的壁壘，這些壁壘阻礙該技術被許多要求高的應用和日常使用所廣泛接受。對于HMD的一個主要壁壘是笨重的、類頭盔形式的因素，其阻礙許多要求高的和新興的應用對該技術的接受。很少現有的已經應用的光學設計方法能夠創造真正便攜的、緊湊的、和重量輕的HMD設計，也即，無妨礙的并能夠被認為是眼鏡形式的近眼顯示器。較大的重量促使疲勞和不舒服，并且被認為是基于HMD應用的主要壁壘。此外，提供寬的、最低限度阻塞或退化的穿透視場的能力對于執行日常工作是必要的。近幾年，自由形態表面已經被引入到HMD系統設計，例如，已經在美國專利號為5,699,194、5,701,202、5,706,136和D.Cheng等的Design?of?an?optical?see-through?head-mounted?display?with?a?low?f-number?and?large?field?of?view?using?a?freeform?prism,Applied?Optics,48(14),2009，中提出的設計，目的在于減少系統重量并創造重量輕的HMD。然而，在當今的市場上，依然沒有同時滿足人機工程學需要和性能需要的有效解決方案。本申請中描述的方法在保持優越性能的同時，提供具有眼鏡形狀因數和寬透視FOV的解決方案。

發明內容

本申請關注具有眼鏡形狀外觀的人機工程學的透視頭戴顯示器(OST-HMD)設備和在這種顯示設備中用作光學觀察設備的自由形態光學系統。OST-HMD中的所述光學觀察設備典型地提供用于觀察顯示的虛擬圖像的光路和用于直接觀察真實世界場景的透視路徑。所述虛擬圖像路徑可以包括微圖像顯示單元和人機工程學成形的顯示觀察光學部件，所述微圖像顯示單元用于提供顯示內容，用戶通過所述顯示觀察光學部件觀察所述顯示內容的放大圖像。所述顯示觀察光學部件包括包含多個自由形態折射和反射表面的光導設備(在下文中稱作自由形態波導棱鏡)。所述顯示觀察光學器件還可以包括附加的耦合光學器件，以將來自于所述圖像顯示設備的光適當地注射到所述波導棱鏡。所述自由形態表面和耦合的光學部件的位置和形狀是有大小的、有維度的、被定位的和/或取向的以使觀察者能夠看到所述顯示內容的清晰的、放大的圖像。所述頭戴顯示設備的所述透視路徑由所述波導棱鏡和自由形態穿透補償透鏡來提供，所述自由形態穿透補償透鏡被定位在(例如，附著到)所述棱鏡的外表面外部。所述穿透補償透鏡，包含多個自由形態折射表面，并使能跨越非常寬的透視視場的對周圍環境的適當觀察。所述波導棱鏡和所述穿透補償透鏡是有大小的、有維度的、被定位的和/或取向的，以人機工程學地匹配人類頭部的人機工程學因素，并使得能夠形成重量輕、緊湊的透視顯示系統的環繞設計，所述透視顯示系統具有眼鏡形狀的外觀、寬的透視視場、和優越的光學性能。

這里描述在人機工程學的頭戴式顯示設備中用作光學觀察設備的自由形態光學系統的各種實施例。這里描述的至少一些所述自由形態光學系統被優化，以提供人機工程學成形的觀察光學器件，該觀察光學器件適合人類頭部的人機工程學因素，并允許它們圍繞人臉環繞并呈現類眼鏡的外觀而不是在現有的HMD設計中的像頭盔的外觀。各種實施例還提供透視能力，允許用戶通過所述觀察光學部件觀察周圍環境和在圖像顯示設備上的顯示內容。至少一些實施例提供比虛擬視圖的FOV大得多的透視FOV。