背景

透視、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備系統(tǒng)使得用戶能夠觀察覆蓋在物理場景上的信息。為了實(shí)現(xiàn)脫手的用戶交互，透視、混合現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備系統(tǒng)可包括透視光學(xué)元件。透視顯示器的傳統(tǒng)方法在光學(xué)設(shè)計(jì)和美學(xué)方面有許多挑戰(zhàn)。對于透視顯示器而言，光學(xué)元件必須被折疊以使得當(dāng)顯示器不在視野中時仍將顯示器折疊到瞳孔的視野中，使得可同時看到真實(shí)世界和顯示器。

諸如棱鏡之類的體光學(xué)元件向用戶提供了扭曲的視野以及審美上令人不悅的外表。

概述

該技術(shù)包括一種透視頭戴式顯示裝備，其包括允許將光源顯示器的輸出疊加在佩戴者的外部環(huán)境的視野上的光學(xué)結(jié)構(gòu)。可將多個不同光源中的任何一個的圖像輸出提供給鄰近顯示器定位的光學(xué)元件以接收輸出。第一和第二部分反射和透射元件被配置為接收來自光學(xué)元件的輸出。沿著設(shè)備的佩戴者的光學(xué)查看軸定位每個部分反射和透射元件，其中各元件之間具有氣隙。每個部分反射和透射元件都具有位于與光學(xué)查看軸成離軸關(guān)系的幾何軸。離軸關(guān)系可包括一個或兩個元件的幾何軸相對于光學(xué)查看軸成一定角度和/或相對于光學(xué)查看軸垂直地位移。

本概述并非旨在標(biāo)識所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，亦非旨在用作輔助確定所要求保護(hù)的主題的范圍。

附圖簡述

圖1是描繪透視、混合現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備系統(tǒng)的一個實(shí)施例的示例組件的框圖。

圖2a是被具體化為提供對硬件和軟件組件的支持的眼鏡的透視、混合現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的實(shí)施例中的光學(xué)結(jié)構(gòu)的鏡架的眼鏡腿的側(cè)視圖。

圖2b是透視、近眼、混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備的集成眼睛跟蹤和顯示光學(xué)系統(tǒng)以及光學(xué)結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的頂視圖。

圖3a是可以用于一個或多個實(shí)施例的透視、近眼、混合現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的硬件和軟件組件的一個實(shí)施例的框圖。

圖3b是描述處理單元的各組件的框圖。

圖4a例示出了根據(jù)本技術(shù)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的透視圖。

圖4b是光學(xué)結(jié)構(gòu)的第二透視圖。

圖4c是光學(xué)結(jié)構(gòu)的頂視平面圖。

圖5a是例示出本技術(shù)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的光線追蹤的側(cè)視圖。

圖5b是例示出本技術(shù)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的偏移光學(xué)軸的第二側(cè)視圖。

圖6是例示出根據(jù)本技術(shù)的透視光學(xué)顯示器的性能的失真圖。

圖7是本技術(shù)的調(diào)制傳遞函數(shù)(mtf)曲線的圖。

圖8a和8b分別示出了根據(jù)本技術(shù)形成的光學(xué)結(jié)構(gòu)的場曲率和失真。

圖9和圖10是根據(jù)本技術(shù)形成的兩種替換光學(xué)結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。

詳細(xì)描述

技術(shù)提供了一種透視頭戴式顯示裝備，其包括允許將光源顯示器的輸出疊加在佩戴者的外部環(huán)境的視野上的光學(xué)結(jié)構(gòu)。可將多個不同光源中的任何一個的圖像輸出提供給鄰近顯示器定位的光學(xué)元件以接收輸出。第一和第二部分反射和透射元件被配置為接收來自光學(xué)元件的輸出。每個部分反射和透射元件可以是非球面的，并且處于相對于設(shè)備的佩戴者的光學(xué)查看軸的離軸位置處，其中各元件之間具有氣隙。每個部分反射和透射元件都具適于與佩戴者的光學(xué)查看軸成偏移關(guān)系的幾何軸。

圖1是描繪透視、混合現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備系統(tǒng)的一個實(shí)施例的示例組件的框圖。系統(tǒng)8包括作為與處理單元4進(jìn)行通信的近眼、頭戴式顯示設(shè)備2的透視顯示設(shè)備。在其他實(shí)施例中，頭戴式顯示設(shè)備2將處理單元4納入自包含單元中。處理單元4可采取除了自包含單元之外的各種實(shí)施例。例如，處理單元4可被實(shí)現(xiàn)在如智能手機(jī)、平板或膝上型計(jì)算機(jī)之類的移動設(shè)備中。在一些實(shí)施例中，處理單元4是可以佩戴在用戶的身體(例如，在所示示例中的腕)上或置于口袋中的分開的單元，并且包括用于操作近眼顯示設(shè)備2的計(jì)算能力中的大部分能力。處理單元4可與不論是本示例中位于附近的還是處在遠(yuǎn)程位置的一個或多個中樞計(jì)算系統(tǒng)12在通信網(wǎng)絡(luò)50上無線地(例如，wifi、藍(lán)牙、紅外、rfid傳輸、無線通用串行總線(wusb)、蜂窩、3g、4g或其他無線通信裝置)進(jìn)行通信。在其他實(shí)施例中，處理單元4的功能可被集成在顯示設(shè)備2的軟件和硬件組件中。

頭戴式顯示設(shè)備2(在一個實(shí)施例中它是帶鏡架115的眼鏡的形狀)被佩戴在用戶的頭上，使得用戶能夠透視顯示器(在本示例中該顯示器被實(shí)現(xiàn)為用于每一只眼睛的顯示光學(xué)結(jié)構(gòu)14)，并且從而具有用戶前面的空間的實(shí)際直接視圖。

使用術(shù)語“實(shí)際直接視圖”來指直接用人眼看到真實(shí)世界對象，而非看到對象的經(jīng)創(chuàng)建的圖像表示的能力。例如，透過房間的玻璃看允許用戶得到該房間的實(shí)際直接視圖，而觀看電視機(jī)上的房間的視頻并不是該房間的實(shí)際直接視圖?；趫?zhí)行軟件(例如，游戲應(yīng)用)的上下文，該系統(tǒng)可在顯示器上投影虛擬對象的圖像(有時被稱為虛擬圖像)，虛擬對象的圖像可由佩戴透視顯示設(shè)備的人觀看，同時該人還透過顯示器觀看真實(shí)世界對象。

鏡架115提供用于將該系統(tǒng)的各元件保持在原位的支承體以及用于電連接的管道。在該實(shí)施例中，鏡架115提供便利的眼鏡架作為對下面進(jìn)一步討論的該系統(tǒng)的各元件的支承。在其他實(shí)施例中，可以使用其他支承結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)的示例是面罩(visor)或護(hù)目鏡。鏡架115包括用于擱置在用戶的每只耳朵上的鏡腿或側(cè)臂。鏡腿102代表右鏡腿的實(shí)施例，并且包括顯示設(shè)備2的控制電路136。鏡架115的鼻梁104包括用于記錄聲音并向處理單元4傳送音頻數(shù)據(jù)的話筒110。

在圖2-5b和9-10所例示的各實(shí)施例中，圖1所例示的鏡架115未被例示出或僅部分地被例示出，以便更好地例示系統(tǒng)的光學(xué)部件。

圖2a是被具體化為提供對硬件和軟件組件的支持的眼鏡的透視、混合現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的實(shí)施例中的鏡架115的眼鏡腿102的側(cè)視圖。

在鏡架115的前部是朝向物理環(huán)境或朝向外部的視頻相機(jī)113，其可捕捉被傳送到處理單元4的視頻和靜態(tài)圖像。來自相機(jī)的數(shù)據(jù)可被發(fā)送到控制電路136(圖3a)的處理器210、或處理單元4或者這兩者，它們可處理數(shù)據(jù)，然而單元4也可將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)50發(fā)送到一個或多個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)12用于處理。該處理標(biāo)識并映射用戶的真實(shí)世界視野。

控制電路136提供支持頭戴式顯示設(shè)備2的其他組件的各種電子裝置。控制電路136的更多細(xì)節(jié)在下文參照圖3a提供。在鏡腿102內(nèi)部或被安裝到鏡腿102的有耳機(jī)130、慣性傳感器132、gps收發(fā)機(jī)144以及溫度傳感器138。在一個實(shí)施例中，慣性傳感器132包括三軸磁力計(jì)132a、三軸陀螺儀132b、以及三軸加速度計(jì)132c。(參見圖3a)。慣性傳感器用于感測頭戴式顯示器設(shè)備2的位置、朝向，以及突然加速。根據(jù)這些移動，頭部位置同樣可被確定。

圖2b是透視、近眼、增強(qiáng)或混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備的顯示光學(xué)結(jié)構(gòu)14的實(shí)施例的頂視圖。光學(xué)結(jié)構(gòu)14將顯示器120的輸出傳送給佩戴者的任何一只眼睛140。近眼顯示設(shè)備2的鏡架115的一部分將環(huán)繞顯示光學(xué)結(jié)構(gòu)14以提供對如本文和以下圖中所例示的一個或多個光學(xué)元件(150、124、126)的支持以及以造成電連接。為了示出頭戴式顯示設(shè)備2中的顯示光學(xué)結(jié)構(gòu)14(在該情況下是右眼系統(tǒng)14r)的各個組件，圍繞顯示光學(xué)系統(tǒng)的鏡架115的一部分未被描繪。

安裝在光學(xué)結(jié)構(gòu)14上并耦合到控制電路136的是包括微顯示器120的圖像源或圖像生成單元。在一個實(shí)施例中，圖像源包括用于將一個或多個虛擬對象的圖像投射到光學(xué)結(jié)構(gòu)14中的微顯示器120，其一側(cè)(光學(xué)結(jié)構(gòu)14r)在圖2a和2b中被例示出。

許多不同的圖像生成技術(shù)中的任何一種可被用于實(shí)現(xiàn)微顯示器120。例如，微顯示器120可使用投影技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，其中光源由光學(xué)活性材料(opticallyactivematerial)來調(diào)制，用白光從背后照亮。這些技術(shù)通常使用具有強(qiáng)大背光和高光能量密度的lcd型顯示器來實(shí)現(xiàn)。微顯示器120還可使用反射技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，其中外部光被光學(xué)活性材料反射并調(diào)制。數(shù)字光處理(dlp)、硅基液晶(lcos)以及高通公司的顯示技術(shù)都是反射技術(shù)的示例。另外，微顯示器120可使用發(fā)射技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，其中光由顯示器生成，例如，來自microvision公司的picop^tm顯示引擎。發(fā)射顯示技術(shù)的另一示例是微型有機(jī)發(fā)光二極管(oled)顯示器。emagin和microoled公司提供了微型oled顯示器的示例。

在一個實(shí)施例中，顯示光學(xué)結(jié)構(gòu)14r包括光學(xué)元件(在本文中也被稱為光學(xué)元件150)，第一部分反射和透射元件124、以及第二內(nèi)部部分反射和透射元件126。每個元件124，126允許來自頭戴式顯示設(shè)備2的前方的可見光通過其自身傳輸?shù)窖劬?40。線142表示通過顯示光學(xué)結(jié)構(gòu)14r的用戶眼睛140的光軸。因此，除了從微顯示器120經(jīng)由光學(xué)結(jié)構(gòu)14接收虛擬圖像之外，用戶還具有頭戴式顯示設(shè)備2前面的空間的實(shí)際直接視圖。

元件126具有部分透射的第一反射表面126a(例如，反射鏡或其他表面)和第二透射表面126b。元件124具有部分透射的第一反射表面124b和第二透射表面124a。來自微顯示器120的可見光穿過光學(xué)元件150并成為反射表面126a上的入射，被反射到表面124b并朝向佩戴者的眼睛140(如圖5a中的光線追蹤所例示的)。反射表面126a和124b反射來自微顯示器120的入射可見光，使得來自顯示器的成像光通過內(nèi)部反射被困在結(jié)構(gòu)14內(nèi)，如以下進(jìn)一步描述的。

在替換實(shí)施例中，無需利用光學(xué)元件150。對光學(xué)元件150的使用允許創(chuàng)建比沒有元件更大的視野。元件150的移除簡化了結(jié)構(gòu)14。

紅外照射和反射也穿越結(jié)構(gòu)14，以允許眼睛跟蹤系統(tǒng)跟蹤用戶的眼睛的位置。用戶的眼睛將被引導(dǎo)到作為用戶的聚焦或注視區(qū)域的環(huán)境的子集。眼睛跟蹤系統(tǒng)包括眼睛跟蹤照射源134a(在該示例中其被安裝到鏡腿102或其內(nèi)部)以及眼睛跟蹤ir傳感器134b(在該示例中其被安裝到鏡架115的眉部103或其內(nèi)部)。眼睛跟蹤ir傳感器134b可替換地定位在結(jié)構(gòu)14中或鄰近于微顯示器120的任何位置處以接收眼睛140的ir照射。還有可能的是，眼睛跟蹤照射源134a和眼睛跟蹤ir傳感器134b都被安裝到鏡架115或被安裝在鏡架115的內(nèi)部。在一個實(shí)施例中，眼睛跟蹤照射源134a可包括以大約預(yù)先確定的ir波長或一定范圍的波長發(fā)射的一個或多個紅外(ir)發(fā)射器(諸如紅外發(fā)光二極管(led)或激光器(例如，vcsel))。在一些實(shí)施例中，眼睛跟蹤ir傳感器134b可以是用于跟蹤閃光位置的ir相機(jī)或ir位置敏感檢測器(psd)。

從ir反射中，當(dāng)眼睛跟蹤ir傳感器134b是ir相機(jī)時，瞳孔在眼框內(nèi)的位置可通過已知的成像技術(shù)來標(biāo)識，而當(dāng)眼睛跟蹤ir傳感器134b是一種位置敏感檢測器(psd)時，瞳孔在眼框內(nèi)的位置可通過閃光位置數(shù)據(jù)來標(biāo)識。其他類型的眼睛跟蹤ir傳感器和用于眼睛跟蹤的其他技術(shù)的使用同樣是可能的并且落在實(shí)施例的范圍內(nèi)。

在耦合到結(jié)構(gòu)14內(nèi)之后，呈現(xiàn)來自微顯示器120的圖像數(shù)據(jù)的可見光照射和ir照射在結(jié)構(gòu)14中被內(nèi)部反射。

在一個實(shí)施例中，每只眼睛將具有其自身的結(jié)構(gòu)14r、141，如圖4a中所例示的。圖4a例示出了相對于人類頭部的微顯示器120和光學(xué)結(jié)構(gòu)14，其示出了來自光學(xué)結(jié)構(gòu)內(nèi)的顯示器的朝向一雙人類眼睛140的光。當(dāng)頭戴式顯示設(shè)備具有兩個結(jié)構(gòu)時，每只眼睛都可具有其自己的微顯示器120，該微顯示器120可在雙眼中顯示相同圖像或者在雙眼中顯示不同圖像。此外，當(dāng)頭戴式顯示設(shè)備具有兩個結(jié)構(gòu)時，每只眼睛可具有其自己的眼睛跟蹤照射源134a和其自己的眼睛跟蹤ir傳感器134b。

在上述實(shí)施例中，所示出的具體數(shù)量的透鏡只是示例。可以使用其他數(shù)目和配置的根據(jù)相同原理操作的透鏡。另外，圖2a和2b僅示出頭戴式顯示設(shè)備2的一半。

圖3a是可以用于一個或多個實(shí)施例的透視、近眼、混合現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備2的硬件和軟件組件的一個實(shí)施例的框圖。圖3b是描述處理單元4的各種組件的框圖。在這一實(shí)施例中，近眼顯示設(shè)備2接收來自處理單元4的關(guān)于虛擬圖像的指令并將來自傳感器的數(shù)據(jù)提供回處理單元4。例如在圖3b中描繪的可被實(shí)現(xiàn)在處理單元4中的軟件和硬件組件從顯示設(shè)備2接收傳感數(shù)據(jù)并且還可通過網(wǎng)絡(luò)50從計(jì)算系統(tǒng)12接收傳感信息?；谠撔畔?，處理單元4將確定在何處以及在何時向用戶提供虛擬圖像并相應(yīng)地將指令發(fā)送給顯示設(shè)備2的控制電路136。

注意，圖3a的某些組件(例如，面向外或物理環(huán)境的相機(jī)113、眼睛相機(jī)134、微顯示器120、不透明度濾光器114、眼睛跟蹤照射單元134a、耳機(jī)130、一個或多個波長選擇濾光器127、以及溫度傳感器138)以陰影顯示，以指示可存在那些設(shè)備中的每一者的至少兩個，其中至少一個用于頭戴式顯示設(shè)備2的左側(cè)并且至少一個用于右側(cè)。圖3a示出與電源管理電路202通信的控制電路200?？刂齐娐?00包括處理器210、與存儲器244(例如d-ram)進(jìn)行通信的存儲器控制器212、相機(jī)接口216、相機(jī)緩沖器218、顯示驅(qū)動器220、顯示格式化器222、定時生成器226、顯示輸出接口228、以及顯示輸入接口230。在一個實(shí)施例中，控制電路200的所有組件都通過一個或多個總線的專用線路彼此進(jìn)行通信。在另一實(shí)施例中，控制電路200的每個組件都與處理器210通信。

相機(jī)接口216提供到兩個朝向物理環(huán)境的相機(jī)113以及本實(shí)施例中的如傳感器134b之類的ir相機(jī)的接口，并且將從相機(jī)113、134b接收到的各個圖像儲存在相機(jī)緩沖器218中。顯示驅(qū)動器220將驅(qū)動微顯示器120。顯示格式化器222可向執(zhí)行該混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的處理的一個或多個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(例如4和12)的一個或多個處理器提供與被顯示在微顯示器120上的虛擬圖像有關(guān)的信息。顯示格式化器222可向不透明度控制單元224標(biāo)識關(guān)于顯示光學(xué)結(jié)構(gòu)14的透射率設(shè)置。定時生成器226被用來為該系統(tǒng)提供定時數(shù)據(jù)。顯示輸出接口228包括用于將來自面向物理環(huán)境的相機(jī)113和眼睛相機(jī)134b的圖像提供給處理單元4的緩沖器。顯示輸入接口230包括用于接收諸如要在微顯示器120上被顯示的虛擬圖像之類的緩沖器。顯示輸出228和顯示輸入230與作為到處理單元4的接口的帶接口(bandinterface)232進(jìn)行通信。

電源管理電路202包括電壓調(diào)節(jié)器234、眼睛跟蹤照射驅(qū)動器236、音頻dac和放大器238、話筒前置放大器和音頻adc240、溫度傳感器接口242、有源濾光器控制器237、以及時鐘生成器245。電壓調(diào)節(jié)器234通過帶接口232從處理單元4接收電力，并將該電力提供給頭戴式顯示設(shè)備2的其他組件。照射驅(qū)動器236例如經(jīng)由驅(qū)動電流或電壓來控制眼睛跟蹤照射單元134a以大約預(yù)定的波長或在某一波長范圍內(nèi)操作。音頻dac和放大器238向耳機(jī)130提供音頻數(shù)據(jù)。話筒前置放大器和音頻adc240提供用于話筒110的接口。溫度傳感器接口242是用于溫度傳感器138的接口。有源過濾器控制器237接收指示一個或多個波長的數(shù)據(jù)，其中針對所述波長，每個波長可選過濾器127將作為對該波長的可選波長過濾器。電源管理單元202還向三軸磁力計(jì)132a、三軸陀螺儀132b以及三軸加速度計(jì)132c提供電力并從其接收回?cái)?shù)據(jù)。電源管理單元202還向gps收發(fā)機(jī)144提供電力并且從gps收發(fā)機(jī)144接收數(shù)據(jù)并向其發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3b是與透視、近眼、混合現(xiàn)實(shí)顯示單元相關(guān)聯(lián)的處理單元4的硬件和軟件組件的一個實(shí)施例的框圖。圖3b示出與電源管理電路306進(jìn)行通信的控制電路304?？刂齐娐?04包括中央處理單元(cpu)320、圖形處理單元(gpu)322、高速緩存324、ram326、與存儲器330(例如，d-ram)進(jìn)行通信的存儲器控制器328、與閃存334(或其他類型的非易失性存儲)進(jìn)行通信的閃存控制器332、經(jīng)由帶接口302和帶接口232與透視、近眼顯示設(shè)備2進(jìn)行通信的顯示輸出緩沖器336、經(jīng)由帶接口302和帶接口232與近眼顯示設(shè)備2進(jìn)行通信的顯示輸入緩沖器338、與用于連接到話筒的外部話筒連接器342進(jìn)行通信的話筒接口340、用于連接到無線通信設(shè)備346的pciexpress接口，以及(一個或多個)usb端口348。

在一個實(shí)施例中，無線通信組件346可包括啟用wi-fi的通信設(shè)備、藍(lán)牙通信設(shè)備、紅外通信設(shè)備、蜂窩、3g、4g通信設(shè)備、無線usb(wusb)通信設(shè)備、rfid通信設(shè)備等等。無線通信設(shè)備346由此允許與例如另一顯示設(shè)備系統(tǒng)8的端對端數(shù)據(jù)傳輸，以及經(jīng)由無線路由器或蜂窩塔到較大網(wǎng)絡(luò)的連接。usb端口可被用來將處理單元4對接到另一顯示設(shè)備系統(tǒng)8。附加地，處理單元4可對接到另一計(jì)算系統(tǒng)12以便將數(shù)據(jù)或軟件加載到處理單元4以及對處理單元4充電。在一個實(shí)施例中，cpu320和gpu322是用于確定在何處、何時以及如何向用戶的視野內(nèi)插入虛擬圖像的主負(fù)荷設(shè)備。

電源管理電路306包括時鐘生成器360、模數(shù)轉(zhuǎn)換器362、電池充電器364、電壓調(diào)節(jié)器366、透視、近眼顯示器電源376，以及與溫度傳感器374進(jìn)行通信的溫度傳感器接口372(位于處理單元4的腕帶(wristband)上)。到直流轉(zhuǎn)換器362的交流電被連接到充電插孔370以用于接收ac供電并為該系統(tǒng)產(chǎn)生dc供電。電壓調(diào)節(jié)器366與用于向該系統(tǒng)提供電力的電池368進(jìn)行通信。電池充電器364被用來在從充電插孔370接收到電力時(通過電壓調(diào)節(jié)器366)對電池368進(jìn)行充電。設(shè)備電源接口376向顯示設(shè)備2提供電力。

圖4a例示出了相對于人類頭部的微顯示器120和光學(xué)結(jié)構(gòu)14，其示出了來自光學(xué)結(jié)構(gòu)的顯示器橫截面的光是如何朝向一對人類眼睛140的。圖4b例示出了光學(xué)結(jié)構(gòu)14相對于坐標(biāo)系的透視圖。圖4c是圖4b的平面圖。如圖4b和4c所例示的，光學(xué)結(jié)構(gòu)14可相對于光軸142旋轉(zhuǎn)角度c度，以向用戶提供更平滑的視覺輪廓。在一個實(shí)施方案中，c在大于零度至約10度的范圍內(nèi)，并且可以例如是7度。每個結(jié)構(gòu)相對于鼻梁104向外旋轉(zhuǎn)角c，如圖4c所例示的。

圖5a例示出了相對于光學(xué)結(jié)構(gòu)14的一側(cè)的微顯示器120的輸出的光線追蹤。如本文所例示的，微顯示器120的輸出(被示為例如紅、綠和藍(lán)光的三個輸出)首先穿過光學(xué)元件150。

微顯示器120的輸出通過光學(xué)元件150進(jìn)入光學(xué)結(jié)構(gòu)14，并且輸出光首先被表面126a反射，來自該反射的圖像光的第一部分被反射向部分反射表面124b，并且然后通過元件126被傳送以便將來自微顯示器120的圖像呈現(xiàn)給用戶的眼睛140。用戶透過元件124和126看以便獲得在用戶前面的外部場景的透視圖。

呈現(xiàn)給用戶眼睛140的組合圖像包括來自微顯示器120的經(jīng)顯示的圖像，該經(jīng)顯示的圖像被覆蓋在外部場景的透視圖的至少一部分上，

在各種實(shí)施例中，微顯示器120的輸出可以是偏振的，并且保持輸出的線性偏振，使得從透視顯示部件14逃逸的來自元件120的任何圖像光都具有與顯示器120提供的圖像光相同的線性偏振。如圖5b所示，元件124和126以及用戶的光軸142都位于不同的光軸上。

元件126和124可例如由高抗沖(high-impact)塑料形成，并且整體具有恒定的厚度。在一個實(shí)施例中，元件126的厚度可以為約1.0mm，并且元件124的厚度可以為約1.5mm。每個元件通過涂覆有部分反射和部分透射的涂層(例如介電涂層或金屬膜)的基本塑料元件而形成。通過使用在其間具有氣隙的元件124和126，允許在塑料元件上使用標(biāo)準(zhǔn)的部分反射涂層。這增加了光學(xué)結(jié)構(gòu)14的可制造性，從而整體上增強(qiáng)了系統(tǒng)。與諸如自由形式棱鏡之類的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不同，不存在由被用作波導(dǎo)或反射元件的光學(xué)材料的厚度層所提供的失真或非統(tǒng)一厚度。元件124和126中的一個或兩個可以是非球面的。此外，可以以“離軸”的方式提供兩個元件中的一個，使得當(dāng)佩戴設(shè)備時穿過元件124、126的用戶的光軸(142)不以相應(yīng)元件的幾何軸為中心(圖5b中的軸155和157)。

在一個實(shí)施例中，提供光學(xué)元件150以便相對于元件124和126來增加微顯示器120的輸出的視野。在一個實(shí)施例中，結(jié)合光學(xué)結(jié)構(gòu)14的微顯示器120提供1920×1080像素分辨率，其中視野為30度(水平)乘19度(垂直)(像素大小為約12微米)。

在另一個實(shí)施例中，光學(xué)元件150可包括在處理電路136的控制下操作的變焦透鏡。適于本文使用的變焦透鏡的一個示例包括光學(xué)透鏡和致動器單元，該致動器單元包括由施加到其上的允許透鏡的焦點(diǎn)進(jìn)行變化的電壓控制的可變形區(qū)域。(參見例如美國專利no.7619837)。可相對于透鏡152提供任何數(shù)量的不同類型的控制器，以改變光學(xué)元件150的規(guī)定(prescription)。替換地，可使用由靜電平行板致動的薄型變焦液體透鏡，諸如來自法國格勒諾布爾的minatech的波導(dǎo)透鏡(wavelens)。

如圖5b所例示的，在另一獨(dú)特的方面，元件124、126處于相對于光軸142的傾角(a，b)處并存在(垂直)位移偏移(c，d)。用戶的光學(xué)查看軸142表示通過系統(tǒng)14的用戶的主查看軸。元件124的光軸157相對于軸142偏移了約30度的角度a，并且位移c為40mm。元件126的光軸155相對于軸142偏移了約25度的角度b，并且位移d為10mm。在替換實(shí)施例中，角度a和b可以在20-45度的范圍內(nèi)，而垂直偏移c-d可以在0-40mm的范圍內(nèi)。

當(dāng)前技術(shù)的離軸實(shí)現(xiàn)允許使用上述統(tǒng)一厚度的塑料和薄膜涂層來制造光學(xué)結(jié)構(gòu)14。

此外，元件124和126中的一個或兩個可用非球面表面來形成(124a、124b、126a、126b)(在圖5b中以截面被示出)。

應(yīng)當(dāng)注意，元件124的部分反射和透射表面124b是凹形的并且與元件126的凸形的部分反射和透射表面126a相對。與現(xiàn)有實(shí)施例不同，氣隙將元件124、126和150分開。

圖6是例示出根據(jù)本技術(shù)的透視光學(xué)顯示器的性能的失真圖。如本文所例示的，矩形網(wǎng)格例示出了通過光學(xué)系統(tǒng)的用戶的視圖上的理想性能，其中“x”例示由光學(xué)系統(tǒng)導(dǎo)致的失真呈現(xiàn)的量。如圖7所例示的，失真不僅是最小的，而且是跨視野對稱的。

圖7是本技術(shù)的調(diào)制傳遞函數(shù)(mtf)曲線的圖。顯示同一點(diǎn)處的兩個mtf的圖：一個沿徑向(或矢狀)方向(指向遠(yuǎn)離圖像中心)，一個沿切向方向(沿繞圖像中心的圓周)，與徑向方向成直角。mtf圖繪出了傳輸對比度的百分比對照線的頻率(周期/mm)。參考在矢狀或切向方向上距圖像中心的距離示出了每個mtf曲線。用于本技術(shù)的理想mtf曲線(例如由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者確定)基于設(shè)備所期望的分辨率。理想的mtf曲線和伴隨曲線示出了使用本技術(shù)創(chuàng)建的設(shè)備的成像性能。較高空間頻率下的較高調(diào)制值對應(yīng)于更清晰的圖像。

圖8a和8b分別示出了根據(jù)本技術(shù)形成的光學(xué)結(jié)構(gòu)的場曲率和失真。

圖9和10意圖例示本技術(shù)的附加實(shí)施例。如本文所例示的，光學(xué)元件124、126之一可被形成為平面元件。如圖9所例示的，元件126可被提供為平面元件。如圖10所例示的，元件124可被形成為平面元件。.

示例性實(shí)施例

根據(jù)上述描述，該技術(shù)包括適于將圖像輸出到光學(xué)查看軸的光學(xué)顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括圖像源；沿光學(xué)查看軸定位并具有處于相對于光學(xué)查看軸的離軸位置處的第一幾何軸的第一光學(xué)元件。

沿光學(xué)查看軸定位并具有處于相對于光學(xué)查看軸的離軸位置處的幾何軸的第二光學(xué)元件。

該技術(shù)的一個或多個實(shí)施例包括前述實(shí)施例，其中離軸包括位于相對于光學(xué)查看軸的一定角度處的幾何軸。

各實(shí)施例包括如上述實(shí)施例中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中離軸包括相對于光學(xué)查看軸垂直位移的幾何軸。

各實(shí)施例包括如上述實(shí)施例中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)元件中的至少一個包括非球面光學(xué)元件。.

各實(shí)施例包括如上述實(shí)施例中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括位于圖像源與第一和第二光學(xué)元件之間的第三光學(xué)元件。

各實(shí)施例包括如上述實(shí)施例中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中第三光學(xué)元件是變焦元件。

各實(shí)施例包括如上述實(shí)施例中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件包括統(tǒng)一的塑料基板，每個塑料基板包括至少一個部分反射和透射表面。

各實(shí)施例包括如上述實(shí)施例中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件被氣隙分開。

各實(shí)施例包括如上述實(shí)施例中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中每個所述元件是非球面的，并且其中所述第一元件的所述至少一個部分反射和透射表面是凹形的并且與所述第二元件的所述至少一個部分反射表面相對，所述第二元件的至少一個部分反射表面是凸形的。

各實(shí)施例包括如上述實(shí)施例中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)元件中的至少一個包括平面元件。

該技術(shù)的一個或多個實(shí)施例包括透視頭戴式顯示器。所述顯示器包括鏡架；具有輸出的顯示器；第一部分反射和透射元件；第二部分反射和透射元件；沿著鏡架的佩戴者的光學(xué)查看軸定位的每個元件，其間具有氣隙以使得第一部分反射和透射元件具有處于相對于光學(xué)查看軸的離軸位置處的第一幾何軸；所述第二部分反射和透射元件具有處于相對于光學(xué)查看軸的離軸位置處的光學(xué)軸；以及適于將輸出提供給光學(xué)查看軸的元件。

各實(shí)施例包括如上述實(shí)施例中任何一項(xiàng)所述的顯示器，進(jìn)一步包括第三光學(xué)元件，該第三光學(xué)元件位于顯示器與第一部分反射和透射元件以及第二部分反射和透射元件之間。

各實(shí)施例包括如上述實(shí)施例中任何一項(xiàng)所述的顯示器，其中至少一個光學(xué)元件是非球面的。

各實(shí)施例包括如上述實(shí)施例中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中離軸包括位于相對于光學(xué)查看軸的一定角度處的至少一個所述幾何軸。

各實(shí)施例包括如上述實(shí)施例中任何一項(xiàng)所述的顯示器，其中離軸進(jìn)一步包括相對于光學(xué)查看軸垂直位移的至少一個所述幾何軸。

該技術(shù)的一個或多個實(shí)施例包括顯示設(shè)備。顯示設(shè)備包括：具有輸出的微顯示器；位于鄰近于顯示器處的光學(xué)元件，所述光學(xué)元件用于接收輸出；第一部分反射和透射元件，所述第一部分反射和透射元件被配置成接收來自光學(xué)元件的輸出；第二部分反射和透射元件，所述第二部分反射和透射元件被配置為接收反射自所述第一部分反射和透射元件的輸出；以及沿著設(shè)備的佩戴者的光學(xué)查看軸定位的每個元件，其間具有氣隙并具有處于相對于光學(xué)查看軸的離軸位置處的幾何軸。

各實(shí)施例包括如上述實(shí)施例中任何一項(xiàng)所述的顯示器，其中每個元件的幾何軸相對于光學(xué)查看軸垂直地位移。

各實(shí)施例包括如上述實(shí)施例中任何一項(xiàng)所述的顯示器，其中至少一個所述元件是非球面的。

各實(shí)施例包括如上述實(shí)施例中任何一項(xiàng)所述的顯示器，其中每個元件包括至少一個部分反射和透射表面，第一部分反射和透射元件的表面是凹形的，并且第二部分反射和透射元件的表面是凸形的。

各實(shí)施例包括如上述實(shí)施例中任何一項(xiàng)所述的顯示器，其中所述部分反射和透射元件中的至少一個是平面的。

該技術(shù)的一個或多個實(shí)施例可囊括包括適于將圖像輸出到光學(xué)查看軸(142)的光學(xué)顯示裝置(14)的技術(shù)。顯示裝置包括用于反射和透射沿著光學(xué)查看軸定位的圖像并具有處于相對于光學(xué)查看軸的離軸位置處的第一幾何軸(155)的第一裝置(124)。第二裝置(126)反射和透射沿著光學(xué)查看軸定位的圖像并具有處于相對于光學(xué)查看軸的離軸位置處的幾何軸(157)。第三光學(xué)元件150可包括用于將圖像聚焦在第一光學(xué)裝置和第二光學(xué)裝置上的裝置。

盡管用結(jié)構(gòu)特征和/或方法動作專用的語言描述了本主題，但可以理解，所附權(quán)利要求書中定義的主題不必限于上述具體特征或動作。更確切而言，上述具體特征和動作是作為實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求的示例形式公開的。