CN103261943A - 采用一个或多个菲涅尔透镜的头戴式显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种头戴式显示装置(100)，包括一框架(107)、由框架(107)支撑的图像显示系统(110)、及由框架(107)支撑的菲涅尔透镜系统(115)。该头戴式显示装置（100）可以设有一位于框架(107)上的光学反射面(120)，例如，一自由曲面、超宽视角的光学反射面(一FS/UWA/RO光学反射面)(120)；菲涅尔透镜系统(115)位于图像显示系统(110)和光学反射面(120)之间。菲涅尔透镜系统(115)包括至少一个弧面的菲涅尔透镜单元(820)。本发明还公开了用于头戴式显示装置的菲涅尔透镜单元（30）设有多个瓣面（31），多个瓣面（31）由沿径向线(33)设置的边界（32）分开；径向线(33)在头戴式显示装置(100)使用时通过假定用户眼睛（35）的旋转中心（34）或通过眼部晶状体（36）的中心或者垂直于眼角膜曲面（在眼角膜曲面的法线方向）。

Description

采用一个或多个菲涅尔透镜的头戴式显示装置

本专利申请交叉引用的相关专利申请

本专利申请要求以下优先权：申请日为2011年8月17日、申请号为13/211,365的美国专利申请；及美国临时申请案61/405,440（名称为头戴式显示器，申请日为2010.10.21）。美国临时申请案61/417,325（名称为弧面堆叠的菲涅尔结构，申请日为2010.11.26）美国临时申请案61/417,326（名称为弧形光束分光器结构，申请日为2010.11.26）美国临时申请案61/417,327（名称为菲涅尔透镜和平直光束分光器组合结构，申请日为2010.11.26）美国临时申请案61/417,328（名称为菲涅尔透镜和弧面光束分光器组合结构，申请日为2010.11.26）美国临时申请案61/427,530（名称为用于头戴式显示装置的弧面镜，申请日为2010.12.28）全部以引用的方式并入本文中。

技术领域

本申请涉及一种采用一个或多个菲涅尔透镜的头戴式显示装置。在具体实施例中，所述头戴式显示装置也采用一个或多个光学反射面，如，一个或多个自由曲面、超宽视角的光学反射面（下文中缩写为FS/UWA/RO反射面），在具体实施例中，整个光学系统是一非瞳孔成形系统，即，整个系统的控制孔径（孔径光阑）是用户眼睛的瞳孔。

所述一个或多个菲涅尔透镜及，当使用时，所述一个或多个光学反射面（例如，一个或多个FS/UWA/RO反射面）被用于显示来自一紧挨着用户眼睛的发光的显示系统产生的影像。

背景技术

诸如军用头盔显示器或眼镜式显示器的头戴式显示装置（缩写为HMD）是一种配戴在人们头部的显示装置，其具有一个或多个放置于一只眼睛附近，更常见地，放置于用户双眼附近的小型显示器件。

相对于真实世界图像来说，一些头戴式显示装置仅仅提供模拟（计算机生成）图像， 因此经常被称为“虚拟现实”的头戴式显示装置或沉浸式头戴式显示装置。还有一些头戴式显示装置在非模拟的真实世界图像上添加（融合）模拟图像。非模拟的图像和模拟图像的融合使得头戴式显示装置的用户观看世界，例如，通过其上设有与执行的任务相关的附加数据的遮光板或目镜叠加在用户的前方视场（FOV）上，这种叠加有时称为“增强现实技术”或“混合现实技术”。

将一非模拟的真实世界图像和一模拟图像合成可以通过使用一部分反射/部分透射的光学表面（一“分光器”）实现，其中，光学表面的反射特性用于显示模拟图像作为一虚像（在光学意义上的），光学表面的透射特性用于允许用户直接观看真实世界（称为“光学穿透式系统”）。将一真实世界的视图与一模拟图像合成可以以电子方式实现，通过接收自照相机的真实世界的视图视频，利用一合成器与一虚像电子混合（称为“视频穿透式系统”）；合成后的图像可以作为虚像（在光学意义上的）通过一光学反射面呈现给用户，在这种情况下，不需要透射特性。

如前所述，可以看出的是用于头戴式显示装置的光学反射面可以给使用者提供：(1) 模拟图像与非模拟的、真实世界图像的合成，(2) 模拟图像与真实世界视频图像的合成，或(3) 纯粹是模拟图像。（最后一种情况常被称为“沉浸式"系统）在每种情况下，光学反射面产生一用于使用者观察的虚像（在光学意义上的）。以往，这样的光学反射面是光学系统的一部分，这样的光学系统的出射光瞳实质上并不仅仅限制对提供给用户的动态视场，也限制静态视场。特别地，为了看见光学系统产生的图像，用户需要将他/她的眼睛对准光学系统的出射光瞳并就这样保持对准，即使那样，用户可见的图像并不能覆盖用户的全部的静态视场。即，现有的用于头戴式显示装置的采用光学反射面的光学系统为部分瞳孔成形系统因而是出射光瞳受限的。

光学系统如此受限的原因在于一个基本的事实那就是人类的视场相当大，因而，人眼的静态视场包括眼部的视网膜中央凹视力和周边视力近似为水平方向上大约150°和垂直方向上大约130°。（为了本发明的目的，150度用于作为名义人眼的正前方静态视场）。具有出射光瞳可以提供如此大的静态视场的理想的光学系统少之又少，如果存在，也是非常昂贵和笨重。

此外，人眼的工作视场（动态视场）更大因为眼睛能够绕着眼睛的旋转中心旋转，即，大脑可以通过改变眼睛的注视方向对准不同方向上人眼的中央凹视场和周边视场。对于一假定用户的眼睛，垂直活动范围大约为向上40°和向下60°；水平活动范围大约为正前方±50°。对于先前使用在头戴式显示装置上的光学系统的类型产生的出射光瞳大小，甚至眼部的微小转动会实质上减少眼部静态视场和出射瞳孔之间的重叠部分，眼部的较大转动会使得图像完全消失。虽然理论上是可能的，出射光瞳与人眼同步移动是不切实际的并且可能过分昂贵。

基于人眼的这些性能，依照提供一个光学系统允许用户以与他或她观看自然世界的同样的方式观看图像显示系统产生的图像，有三个视场是相关的。三个视场中最小视场是由用户转动他或她眼睛的能力进而通过外部世界扫描他或她的中央凹决定的。最大旋转角度大约是正前方的±50°，因此这个视场（中央凹动态视场）大约是100°。三个视场中中等视场是正前方的静态视场包括用户的中央凹视力和周边视力。如上所述，这个视场（中央凹静态视场和周边静态视场）大约为150°，三个视场中最大的一个是由用户转动他或她眼睛的能力进而通过外部世界扫描他的或她的中央凹视力和周边视力决定的。基于最大大约±50°的旋转角度和大约150°的中央凹视场和周边视场，最大视场（中央凹动态视场和周边动态视场），大约为200°。依照用户直观自然地观看图像显示系统产生的图像的能力，视场的逐渐增加从至少100°到至少150°，然后到至少200°为使用者带来相应的有益效果。

为了人眼能够在距离人眼不足10英寸的显示器上方便聚焦，需要对显示器发射光束进行准直。准直用来使光束看上去似乎产生于大于眼睛和显示器之间的实际距离的地方。视距越大，依次地，允许眼睛易于聚焦显示器上的图像。一些头戴式显示器用多个反光镜或棱镜试图准直来自显示器的光。采用多个反光镜或棱镜的系统增加了体积和重量，使得这样的头戴式显示器比预想的更为笨重。

因此需要一种与聚焦能力及至少与人眼的中央凹动态视场相配的头戴式显示装置，本发明正是为了满足这种需要，在一宽视场范围内提供一产生准直（或大体上准直的）光束的头戴式显示装置。

术语解释：

在权利要求书和本说明书的其他部分中，术语“虚像”是用于光学意义上的，即，虚像被认为来自于某一特定位置，事实上光线并非来自该特定位置。

贯穿本说明书，下列术语或名词有如下含义或范围：

(1) 术语“光学反射面”（也称为“反射面” ）包括仅仅反射的表面，也包括既有反射也有透射的表面，不论哪种情况，反射性只能是部分的，即，部分入射光可能通过反射面是透射的。同样地，当反射面既有反射又有透射时，反射性和/或透射性可以是部分的；如下面所讨论的，单个光学反射面用于两只眼睛或每只眼睛有各自的光学反射面；其他变化形式包括采用多个光学反射面用于两只眼睛或者每只眼睛单独采用多个光学反射面。也可以采用混合匹配组合，如一单个光学反射面用于一个眼睛，多个光学反射面用于另一只眼睛。进一步可选地，一个或多个光学反射面用于用户的单只眼睛。下面提出的权利要求意图覆盖在此公开的光学反射面的这些和其他的应用。特别地，每项涉及对光学反射面的权利要求意图涵盖包括一个或多个这种类型的光学反射面的头戴式显示装置。

(2) 术语“包括至少一个发光面的图像显示系统”通常用于包括任一有发射光的表面的显示系统，发射的光不论是通过该表面的透射光、在该表面产生的光（如，LED发光阵列），自另一光源的表面反射的光，诸如此类。图像显示系统采用一个或多个图像显示器件，例如，一个或多个LED和/或LCD阵列。与光学反射面一样，一给定的头戴式显示装置可以包括一个或多个图像显示系统用于用户的一只眼睛或两只眼睛。另外，每项涉及对图像显示系统的权利要求意图涵盖包括一个或多个这种类型的图像显示系统的头戴式显示装置。

(3) 术语“双目观测器”是指为每个眼睛至少包括一个独立的光学元件（如，一个显示器件和/或一个光学反射面）的装置

(4) 术语“视场”及其缩写FOV是指图像（眼部）空间中"明显的"观看范围相对于物体（即，显示）空间的真实的空间范围相比。

发明内容

依照一方面，本发明的头戴式显示装置（100）包括：

1）适于安装在使用者头部（105）的框架（107）

2）由所述框架（107）支撑的图像显示系统（110）（例如，所述框架支撑所述图像显示系统在一固定位置，所述固定位置在所述头戴式显示装置使用中，不在用户视场范围内）；

3）一由所述框架(107)支撑的光学反射面（120），所述光学反射面（120）采用沿着三维笛卡尔坐标系中的任一坐标轴非旋转对称的连续表面（例如，所述光学反射面可以是一自由曲面、超宽视角的光学反射面（120），所述光学反射面沿着三维笛卡尔坐标系的x轴, y轴,或 z轴的任意原点非旋转对称（不是旋转曲面））；

4）由所述框架(107)支撑的菲涅尔透镜系统(115)，所述菲涅尔透镜系统(115)位于所述图像显示系统(110) 和所述光学反射面(120)之间；其中，

a）所述图像显示系统（110）包括至少一个发光面（81）；

b）使用时，所述光学反射面（120）和所述菲涅尔透镜系统（115）在至少一个发光面（81）空间上分离的部分产生空间上分离的多个虚像，至少一个所述空间上分离的虚像与另一所述空间上分离的虚像的夹角至少为100度（在一些实施例中，所述夹角至少为150度，在另一些实施例中，所述夹角至少为200度），所述夹角自一假定用户眼睛(71)的旋转中心（72）测量而得；及

c）使用时，所述光学反射面（120）上的至少一点与所述光学反射面（120）上的至少另一点的夹角至少为100度（在一些实施例中，所述夹角至少为150度，在另一些实施例中，所述夹角至少为200度），所述夹角自一假定用户眼睛的旋转中心测量而得。

对于这个方面来说，使用时，至少一个空间上分离的所述虚像位于一穿过光学反射面上的至少一点的注视方向；至少一个空间上分离的另一所述虚像位于穿过所述光学反射面上的至少另一点的注视方向。

依照另一方面，本发明的头戴式显示装置（100）包括：

1）适于安装在使用者头部（105）的框架（107）

2）由所述框架（107）支撑的图像显示系统（110）（例如，所述框架支撑所述图像显示系统在一固定位置，所述固定位置在所述头戴式显示装置使用中，不在用户视场范围内）；

3）由所述框架（107）支撑的一自由曲面、超宽视角的光学反射面（120）； 

4）由所述框架(107)支撑的菲涅尔透镜系统(115)，所述菲涅尔透镜系统(115)位于图像显示系统(110) 和自由曲面，超宽视角的所述光学反射面(120)之间；其中，

a）所述图像显示系统（110）包括至少一个发光面（81）；

b）使用时，自由曲面、超宽视角的所述光学反射面（120）和所述菲涅尔透镜系统（115）在至少一个发光面（81）空间上分离的部分产生空间上分离的多个虚像，至少一个虚像与另一虚像的夹角至少为100度（在一些实施例中，所述夹角至少为150度，在另一些实施例中，所述夹角至少为200度），所述夹角自一假定用户眼睛(71)的旋转中心（72）测量而得。

依照另一方面，本发明的头戴式显示装置（100）包括：

1）适于安装在使用者头部（105）的框架（107）

2）由所述框架（107）支撑的图像显示系统（110）

3）由所述框架（107）支撑的光学反射面（120）；及

4）由所述框架(107)支撑的菲涅尔透镜系统(115)，所述菲涅尔透镜系统(115)位于所述图像显示系统(110) 和所述光学反射面(120)之间；其中，所述菲涅尔透镜系统(115)包括至少一个弧面的菲涅尔透镜单元。

依照另一方面，本发明的头戴式显示装置（100）包括：

1）适于安装在使用者头部（105）的框架（107）；

2）由所述框架（107）支撑的图像显示系统（110）；及

3）由所述框架(107)支撑的菲涅尔透镜系统(115)；

其中，使用时，所述菲涅尔透镜系统(115)位于所述图像显示系统(110)和假定用户的眼睛之间；以及

所述菲涅尔透镜系统(115)包括至少一个菲涅尔透镜单元（30），所述菲涅尔透镜单元设有多个瓣面（31），多个所述瓣面（31）由沿径向线(33)设置的边界（32）分开；所述径向线(33)在所述头戴式显示装置(100)使用时通过假定用户眼睛（35）的旋转中心（34）或通过眼部本身的晶状体的中心（即，假定用户的晶状体），或者在眼角膜曲面的法线方向。

 

在上面公开的各个方面的一些实施例中，用户的每只眼睛分别配置有一单独的菲涅尔透镜系统，一单独的图像显示系统和/或一单独的光学反射面（如果使用的话）。在另一些实施例中，所述光学反射面（如果使用的话）有助于经由所述菲涅尔透镜系统的所述图像显示系统产生的光线的准直（或基本准直），准直（或基本准直）是通过光学反射面的局部曲率半径实现的。

在不同的实施例中，所述头戴式显示装置可以是一双目非瞳孔成形系统，在双目非瞳孔成形系统中眼睛沿着眼睛的旋转中心自由移动遍及通常可达到的角度范围而不会约束于通过一外部瞳孔观看。现有的HMD装置声称他们有或可以提供宽视场，但是这些装置包括一外部瞳孔，眼睛必须透过所述外部瞳孔看过去。虽然提供给眼睛很多信息，一旦眼睛旋转的时候信息也消失了。这个根本问题在本发明公开的实施例中采用光学反射面特别是FS/UWA/RO反射面的瞳孔成形系统可以避免。

用在上面发明的各个方面概要中的参考数字（参考数字是代表性的并非完整的或详尽的）仅仅为了读者的方便，并非有意，也不应当理解为限制本发明的范围。更广泛地说，应该理解为前述的概要说明和接下来的具体实施方式只不过是本发明的示例，是为了提供理解本发明的本质和特点的概要或结构框架。

在接下来的具体实施方式中阐明了一些附加的技术特征和本发明的有益效果，某种程度上，使得本领域技术人员易于从本说明书内容或公知常识实施本发明。附图用于提供对本发明进一步地理解，包括在本说明书中并作为说明书的一部分。应当理解的是本说明书内容和附图中公开的不同的技术特征可以以任意组合使用。

附图说明

图1为依据一具体实施例的一头戴式显示装置的侧视图。

图2为图1所示的头戴式显示装置的主视图。

图3为依据一具体实施例的具有多个瓣面且瓣面的边通过用户眼睛旋转中心的菲涅尔透镜单元的剖视示意图。

图4为依据一具体实施例，所示为用于头戴式显示装置的光学系统，其包括一菲涅尔透镜系统和一弧形光学反射面。

图5为依据一具体实施例，采用两个弧形光学反射面的头戴式显示装置的俯视图，两个弧形光学反射面对应用户的两只眼睛。

图6为一假定用户眼镜注视正前方的静态视场示意图。

图7为依据一具体实施例，图6所示的静态视场和FS/UWA/RO面的相互作用的示意图；图7中的箭头表示光传播方向。

图8为依据一具体实施例，显示器上一指定像素被反射朝向眼睛的光路光线图。

图9为依据一具体实施例，显示器上两个像素被反射朝向一只眼睛的光路光线图。

图10为依据一具体实施例，用于选择局部反射器法向的变量示意图。 

图11为依据一具体实施例，沿着光路方向的一弧形反射器示意图。

图12为依据一具体实施例，具有菲涅尔透镜系统的增强现实的头戴式显示装置的侧面立体视图。

图13为图12所示的增强现实的头戴式显示装置的光路光线图。

图14为图13所示的增强现实的头戴式显示装置中的显示器和外部光束的光线图。

图15为依据一具体实施例，具有菲涅尔透镜系统的沉浸式头戴式显示装置的侧面立体视图。

图16为依据一具体实施例，具有菲涅尔透镜系统的沉浸式头戴式显示装置的俯视立体视图。

图17为图15和图16所示的沉浸式头戴式显示装置的光束光线图。

图18为依据一具体实施例，光束进入用户一只眼睛的光线图。

图19为依据具体实施例，计算一个光学反射面的法向的几何示意图。

具体实施方式

概要

如上所述，本发明涉及一种头戴式显示装置，通过使用菲涅尔透镜系统为用户提供准直或基本准直的图像，所使用的菲涅尔透镜系统可以是一弧形的菲涅尔透镜系统（如下文所述）；菲涅尔透镜系统可能是光学系统中唯一的准直源，或在具体实施例中，采用弧形的光学反射面如FS/UWA/RO反射面，菲涅尔透镜系统的准直可以联合由弧形的光学反射面的提供的准直进行。

以下讨论从采用FS/UWA/RO反射面（第II部分）的实施例开始，接着讨论应用了菲涅尔透镜系统的实施例和其他公开的实施例（第III部分），第III部分也涉及用于一包括一菲涅尔透镜系统的光学系统的FS/UWA/RO面的设计流程；紧接着第III部分，讨论的实施例采用一非FS/UWA/RO反射面的光学反射面和一弧形的菲涅尔透镜系统（第IV部分），紧接着是没有采用光学反射面，直接通过弧形的菲涅尔透镜系统查看图像显示系统的实施例（第V部分）；最后，对本发明公开的适用于不同的实施例进行了总的综合讨论（第VI部分）。

应该明白的是出现在说明书特定部分的头戴式显示装置的不同部件的描述并不限于这一部分的具体实施例，而是广泛适用于本发明公开的所有实施例。举个例子，用于头戴式显示装置的图像显示系统的类型的描述适用于第I部分（描述出现在该部分），同样也适用于第IV 部分和第V部分的实施例。

采用FS/UWA/RO反射面的头戴式显示装置

图1和图2，分别为一用户105佩戴头戴式显示装置100的侧视图和主视图，头戴式显示装置100采用了FS/UWA/RO反射面120。

在一实施例中，头戴式显示装置100可以，例如是一光学穿透式、增强现实的双目观测器。由于光学穿透式、增强现实的双目观测器是一种形式最复杂的头戴式显示装置，本发明首先讨论这种形式的实施例，应该明白的是这里讨论的原理同样适用于光学穿透式、增强现实的单目观测器，视频穿透式、增强现实的双目观测器和单目观测器，双目和单目“虚拟现实”系统。

如图1和图2所示，头戴式显示装置100包括一适于用户佩戴的以类似于眼镜佩戴的方式通过用户的鼻子和耳朵支撑的框架107。在图1-2的实施例以及其它公开的实施例中，头戴式显示装置可以有各种形式的结构，例如可以类似于传统的防护镜，眼镜，头盔诸如此类。在一些实施例中，可以使用一带子固定头戴式显示装置的框架至用户眼部一固定位置。一般来说，头戴式显示装置外壳的外表面可以采取任意形式只要能够将光学系统固定在HMD的显示器和用户的眼睛需要的方位。

头戴式显示装置100包括至少一个图像显示系统110，如图1和图2所示，一自由曲面、超宽视角的光学反射面120，即，FS/UWA/RO反射面120，当然是弧形的。光学反射面120可以是全反射的或兼具反射和透射特性，不论哪种情形，都被看作是一种“光束分光器”。

光学反射面120在这里被作为一“自由曲面”因为它的局部空间位置，局部表面曲率，局部表面取向与特定的基材并无关联，就如x-y平面，而在于，在曲面设计中，采用的应用在三维空间的基本的光学原理决定的，（例如，费马最小时间原理）。光学反射面120被称为“超宽视角”因为在使用时，最低限度，不应该限制假定用户眼睛的动态中央凹视场。同样地，取决于使用FS/UWA/RO反射面的菲涅尔透镜系统的光学特性，头戴式显示装置的整个光学系统可以是非瞳孔成形的，也就是，不像传统的光学系统设有出射光瞳限制了用户的视场，这里公开的光学系统的不同实施例中的有效光瞳应该是用户眼睛的入射光瞳相对于一个与外部光学系统相联系的光瞳。伴随地，对于这些实施例，提供给用户的视场会比传统的光学系统大得多，传统的光学系统中用户眼睛与外部光学系统的出射光瞳的小小的未对准会基本上减少用户可见的信息量，更大的未对准可以引起整个图像消失。

FS/UWA/RO反射面120可以完全环绕一只眼睛或同时环绕两只眼睛，至少一个图像显示系统110也同样如是。特别是，光学反射面120可以沿着眼睛的侧边弯曲朝向脸的两侧以便扩大有效的水平视场。一种实施例中，FS/UWA/RO反射面120可以延伸至180°或以上（例如大于200°），最好的情形会在图5中讨论。如图2所示，头戴式显示装置可以包括两个独立的分别由框架支撑和/或一鼻骨梁支撑部件210支撑的FS/UWA/RO反射面120R 和 120L用于使用者的两只眼睛，（如下所示）。可选地，头戴式显示装置可能采用一单个单一结构的FS/UWA/RO反射面用于双眼，其中一些部分双眼都可以看到，其中另一些部分只有一只眼睛可以看到。

如刚才上面所述及附图2所示，头戴式显示装置100可以包括一鼻骨梁支撑部件210。鼻骨梁支撑部件也可以是一竖直的条或隔断在两个用于用户每只眼睛FS/UWA/RO反射面之间提供隔断，鼻骨梁支撑部件210也可以在用户双眼的视场之间提供隔断。这样，通过第一图像显示装置和第一FS/UWA/RO反射面显示第一图像给右眼，用户的右眼可以看见环境中三维立体物理现实的一个表示；通过第二图像显示装置和第二FS/UWA/RO反射面显示第二图像给左眼，用户的左眼可以看见环境中三维立体物理现实的另一个表示。通过隔断用户的两只眼睛，鼻骨梁支撑部件210可让用于每只眼睛的图像最佳地独立于另一眼睛的图像。在一个实施例中，鼻骨梁支撑部件的竖直隔断可以包括两个反光片，每侧各有一个，使得用户在转动他的或她的眼睛或者向左边或者向右边时看到影像。

至少一个图像显示系统110可以被安装在FS/UWA/RO反射面120的内侧，可以水平放置或与水平方向呈一定角度放置。也可以，至少一个图像显示系统正好被安装在FS/UWA/RO反射面的外侧。至少一个图像显示系统110，特别是它的至少一个发光面的倾斜角通常来说应该是像素、图像位置、和/或从FS/UWA/RO反射面120反射的显示信息部件的函数。

在一些实施例中，头戴式显示装置100设有一内腔，FS/UWA/RO反射面120的反射面朝向内腔。对于具有透射性的FS/UWA/RO反射面，来自于至少一个图像显示系统的图像或显示信息反射进内腔，同时从FS/UWA/RO反射面进入用户的眼睛，同时，光线也从外部世界通过反射面进入内腔和用户的眼睛。

头戴式显示装置可以包括一电子组件140用于控制由至少一个图像显示系统110显示的图像。在一个实施例中，电子组件140包括加速度计和陀螺仪，为用户提供位置、方位和姿态信息以将至少一个图像显示系统110产生的图像与用户活动同步。电能和视频信号与头戴式显示装置100之间的传递通过一传输电缆150耦合至电子组件140或通过无线媒介来提供。

一组摄像机170位于头戴式显示装置100的两个对边给电子组件提供输入用于帮助控制计算机生成的，例如“增强现实”场景。这组摄像机170可能被耦合至电子组件140用于接收电能和控制信号及提供视频输入给电子组件的软件。

用于头戴式显示装置的图像显示系统可以采用多种形式，已知的或后续开发的，例如，图像显示系统可以采用小型高分辨率液晶显示器（LCDS），发光二极管显示器（LED） 和/或有机发光二极管(OLED)，包括柔性OLED屏幕。特别地，图像显示系统可以采用一具有高像素密度的高分辨率的小型化显示器，如移动电话行业使用的显示器。图像显示系统可以采用一光导纤维束。在不同的实施例中，图像显示系统可以作为一小型屏幕电视。如果图像显示系统可以产生偏振化的光（如，这种情况下，图像显示系统使用一液晶显示器件，所有颜色在同一方向线性偏振），及如果FS/UWA/RO反射面与显示器件发射的光正交偏振，则光线将不会从FS/UWA/ RO表面泄露出去。显示的信息和它的光源因此在头戴式显示装置的外部是不可见的。

构建一个光学系统的示例性实施例的整体操作依照本发明公开的内容，特别地，一用于“增强现实”的头戴式显示装置的光学系统，通过图1所示的光线轨迹进行说明，具体是，光线180、185和190。在这个实施例中，FS/UWA/RO反射面120既有反射特性又有透射特性。利用FS/UWA/RO反射面120的透射特性，光线190从外部环境通过FS/UWA/RO反射面进入并朝向用户眼睛。从FS/UWA/RO反射面120的同一区域，光线180被FS/UWA/RO反射面反射（利用表面的反射特性）并加入光线190产生混合的光线185，该光线进入用户眼睛当用户看向点195的方向时。即当用户的注视方向为点195的方向时，然而，这样看时，用户的周边视力允许用户从外部环境中的其他点去看光线，这些点通过FS/UWA/RO反射面120，再一次，利用表面的透射特性。

菲涅尔透镜系统

依照本发明公开的内容，由至少一个图像显示系统提供的图像和/或显示信息片段被调节为了近距观看优先进入用户眼睛。例如，在图1和图2的示例性实施例中，通过包括一个或多个菲涅尔透镜单元的透镜系统115执行调节，用来改变自显示面发射的光束的屈光度性能使得用户更容易聚焦在整个光学系统产生的显示器的虚像上。图12至图14及图15至图18所示为采用菲涅尔透镜单元改变自显示面发射的偏振光束的屈光度性能的其他实施例。除了这个功能之外，菲涅尔透镜单元也用于放大提供给用户的图像。在一些实施例中，采用呈堆叠结构安排的多个菲涅尔透镜单元可以得到在3至6或更大的放大率。

下面详细地讨论，在特定实施例中，菲涅尔透镜系统包括一个或多个弧面的菲涅尔透镜单元，即，菲涅尔透镜由弧面的而不是平面的基材构造。为引用的方便，包括一个弧面的菲涅尔透镜单元的菲涅尔透镜系统也被称为“弧面的菲涅尔透镜系统”，应该明白的是并非用于以弧面的菲涅尔透镜系统的所有菲涅尔透镜单元都需要是弧面的。术语“菲涅尔透镜系统”用于描述包括至少一个菲涅尔透镜单元的透镜系统的一般情况（不论是弧面的还是平面的），菲涅尔透镜单元实现更改从一个图像显示系统发射的光束的屈光度性能的功能以方便显示器上的图像近距观察。进一步地讨论，在采用一个FS/UWA/ RO表面的实施例中，如果需要，FS/UWA/ RO表面也可以具有有助于形成于图像显示系统的至少一个发光面的图像的清晰、近距观察的光学性能。

一般地说，这里公开的菲涅尔透镜系统可以包含平面的菲涅尔透镜和/或弧面的菲涅尔透镜的不同的组合形式，通过选择用于图像显示系统发射的光线的屈光度调节，以便让眼睛可以聚焦在显示器上及，在“增强现实”的头戴式显示装置中，也聚焦在外部环境的物体上。弧面的菲涅尔透镜系统中采用至少一个弧面的菲涅尔透镜提供至少一个额外的参数（即：透镜的曲率）用于控制提供给用户的图像的偏差。例如，一个或多个具有曲面结构的菲涅尔透镜可以本质上减少颜色偏差。此外，基于曲面材质制造的菲涅尔透镜可以减少离轴偏差。

更一般来说，菲涅尔透镜系统的光学性能和其中包括的一个或多个菲涅尔透镜可以依照经验进行选择或通过光学轨迹分析。光线轨迹可以，例如，可让用于特定实施例的装置参数实现最优化，例如，军事训练，飞行模拟，游戏及其他商业应用。对于最优化有用的参数，例如，显示器的曲率，显示器的尺寸，菲涅尔透镜的曲率，菲涅尔透镜系统和包括一个或多个非球面的光学系统的其他部件的非球面参数，及菲涅尔功率相对于（1）显示屏幕的前面 及（2）用户的眼睛的距离。

在一些实施例中，菲涅尔透镜单元不产生场曲率，因此采用一小部分的薄的光学部件可以产生一宽视场。在其他实施例中，菲涅尔透镜系统可以包括一个或多个非球面以帮助校正图像偏差。非球面可以被应用于菲涅尔透镜系统的任一光学部件的任一表面。名义上，菲涅尔透镜单元的第一和第二表面将具有相同曲率的基圆半径（即，在它们的通光孔径上其厚度是常量）。通过让一个或多个菲涅尔透镜单元在它们的第一表面和第二表面具有不同的半径可以实现另外一些像差校正或功能上实现。

在不同的实施例中，通过使用菲涅尔透镜单元，包括非球面的菲涅尔透镜单元，可以实现一光学系统，作为一紧凑而轻便的系统，具有一广博的可见视场，与人眼特有的视力分辨率相当的图像质量，整个结构可以被大量地、低成本的制造。如果需要，菲涅尔透镜系统可以包括一个或多个衍射表面（衍射部件）以减少色差，特别是横向色差。例如，透镜单元810,1330及1135可以包括一个或多个衍射表面。这样，可以实现一图像显示设备的校正的图像，其中包括一个平面的图像显示设备，单独采用菲涅尔透镜系统或与FS/UWA/ RO反射面结合。在一些实施例中，一个或多个菲涅尔透镜可以提供系统中大多数的光学功率并将被设计用于将单色像差减到最小。

菲涅尔透镜单元，在一个实施例中安装时在毗邻的透镜之间设有间隙，可以被制造得比传统的透镜薄很多，因此光学系统的空间和重量相比传统厚度的透镜可以大大降低。通过采用塑料制备所有透镜可以进一步减轻重量，然而，也可以使用玻璃。塑料的透镜可以通过金刚石车削加工或模塑成型被制作。

在一些实施例中，一个或多个（或所有）弧面的菲涅尔透镜单元可以具有多个瓣面，瓣面的边界沿径向线设置通过假定用户眼睛的旋转中心。图3所示为这样一个实施例，其中30是菲涅尔透镜，31是菲涅尔透镜的一个瓣面，32是菲涅尔透镜的一个瓣面的边界，33是穿过假定用户眼睛35的旋转中心34的径向线。图3也给出了假定用户眼睛的内部晶状体36（天然的晶状体36）。作为选择，一个或多个（或所有）弧面的菲涅尔透镜单元可以具有瓣面，瓣面的边界沿着径向线穿过假定用户的眼部晶状体的中心或者垂直于眼角膜曲面。

如上所述，菲涅尔透镜由于它的轻便，特别适合用于头戴式显示装置，透镜可以，无论如何，产生图像偏差由于光波的入射角把显示留在透镜表面。特别地，光波可以通过菲涅尔透镜凹槽中的非预定部分。依照图3所示的实施例，可以通过提供具有穹顶形状的菲涅尔透镜来减少这样的偏差，特别地，一球形，以一假定用户眼睛的旋转中心为中心，以便菲涅尔瓣面的边界垂直于穹顶表面，沿着透镜表面的任意地方。可选地，穹顶形状（球形）可以以假定用户的眼部晶状体为中心或可以与假定用户的眼角膜同心。这样，光束穿过透镜平行于瓣面的边界，及由于这些不连续导致的像差可以被避免，此外，改进透镜的色彩响应。应该注意的是聚集于一点的瓣面的边界会减小观察的图像的光学失真，即使并非所有的边界都真正满足以上一个条件。例如，如果并非所有的边界真正地穿过假定用户眼睛的旋转中心，从而，而不是具有一纯球形的形状，菲涅尔透镜可以是大体上球形的（例如，菲涅尔透镜可以具有一非球面），可以仍然得益于具有至少一些会聚的瓣面边缘。

虽然具有方形的，矩形的或其他有效孔径形状的菲涅尔透镜单元如果需要可以采用，通常，菲涅尔透镜具有圆形的有效孔径。在大多数应用中，构造菲涅尔透镜系统的透镜的最小有效孔径的尺寸将确定不论整个光学系统是瞳孔成形的还是非瞳孔成形的。特别地，对于由菲涅尔透镜系统和FS/UWA/ RO表面组成的整个光学系统，系统的出射光瞳通常是由有效孔径下游的光学元件产生的菲涅尔透镜系统的最小有效孔径的图像（即，朝向用户眼睛）。换言之，系统的整个孔径光阑通常在菲涅尔透镜系统中因为，依照光阑，FS/UWA/RO反射面表现为具有非常大的孔径光阑。依照由FS/UWA/RO反射面产生的菲涅尔透镜系统的最小有效孔径的图像的尺寸和位置（具有最小有效孔径在菲涅尔透镜单元的下游，菲涅尔透镜系统的任一单元），整个系统可以提供用户一整个中央凹动态视场，或一整个中央凹静态视场和周边静态视场，或整个中央凹动态视场和周边动态视场。

图4所示为一头戴式显示装置的光学系统的一个实施例，该光学系统采用一FS/UWA RO表面和一具有一平面的菲涅尔透镜810和两个弧面的菲涅尔透镜815和820的菲涅尔透镜系统115，其，见图4所示，相互毗邻。光线830,835及840示于图中，光线840从外部环境进入，与光线830混合产生一合成光835，进入用户的眼睛，当用户看向点850的方向时。用户的周边视力也允许用户从点850之外的点看见光线。

尤其是，出自至少一个图像显示系统110的发散的光波前860被汇聚于一正屈光度的具有菲涅尔透镜810,815及820的菲涅尔透镜系统，以提供在零屈光度和最初的屈光度之间的光线830。出自至少一个图像显示系统110的光的最初的屈光度可以，例如，大约为D = 1/(0.03 [m]) = 33 dpt。在离开菲涅尔透镜系统以后，光线从FS/UWA RO表面120反射，其中，如果需要，采用下面讨论的表面曲率技术可以消除附加的屈光度发散。

整个屈光度改变可以，例如，在33 dpt，在不同的实施例中，在FS/UWA/ RO表面和菲涅尔透镜之间这可能是不一致的。特别是，由FS/UWA/RO反射面提供的屈光度改变的总量可以被减小，其在在设计和制造FS/UWA/RO反射面的不同的实施例中可能是有利的。因为屈光度是累加的，无论多少聚散度被其中一个光学部件提供不必被其他光学部件提供。（屈光度数值的这个累加的特性可以被用于组合菲涅尔透镜系统和FS/UWA/RO反射面的准直的效果，及在装配菲涅尔透镜系统的单个菲涅尔透镜单元的组合的效果。也可以用于考虑准直的效果可能是整个系统的部分的其他光学组件的准直效果。）在图4所示的示例性实施例中，33 dpt的屈光度变化将导致最终的光束是准直的（0 dpt）或大体上准直的(~0 dpt)。这相当于光线来自于一基本上无穷远的点，光波阵面将是平的，结果是平行面垂直于光波阵面，如光线835，穿过眼睛的入口。准直的反射光可以，例如，是满足需要的当外部世界包括物品其实际上相对于用户在无穷远处。如上面所看到的，FS/UWA/RO反射面120容许从外部环境来的光线840进入，从而，允许内部图像覆盖外部图像，特别地，外部图像相对于用户的眼睛实际上无穷远。

如上面所讨论的，先前的采用光学反射面的用于头戴式显示装置的光学系统一直是瞳孔成形的，因而限制了可见区域，一般地视场在-60度或更小。这极大的限制了先前的头戴式显示装置的价值和性能。在不同的实施例中，这里公开的头戴式显示装置具有更宽广的视场（FOV），这相对于具有更小视场的头戴式显示装置允许提供给用户更加多的视觉信息。宽视场可以大于100°，大于150°，或大于200°。除了提供更多的信息以外，宽视场允许更多的信息可以被用户以更加自然地方式处理，通过现实图像与物理现实更好的匹配使得具有更加浸入式和增加现实的体验。

特别地，在图5所示的示例性实施例中，对于注视方向为正前方时，眼睛通过弧面的FS/UWA/RO反射面201和202可以接受图5所示的整个可视区域，相应地，提供每个眼睛至少150度的水平视场(FOV)（例如，-168度的水平视场）。这个视场由眼睛的中央凹视场和周边视场组成。此外，眼睛被允许自由移动通过它的旋转中心在不同的注视方向对准组合的中央凹视场和周边视场，在观看物质世界时眼睛自然地工作。这里公开的光学系统因此允许眼睛通过一系列动作获得信息，以与眼睛观看自然世界的同样地方式工作。

更详细地研究图5，这个图是从顶部看时，用户头部200的前方的简化画法。所示为FS/UWA/RO反射面201和202，放置于用户的眼睛203、204的前方。如上所述，FS/UWA/RO反射面201和 202可能落在用户的鼻子205上，在鼻子205上用户头部200的前中214合在一起。下面详细地讨论，表面201和 202的局部法线和局部空间位置被调节以便被至少一个图像显示系统（没有示于图5中）产生的图像覆盖每个眼睛的水平视场至少100度。例如，在一特定实施例中，至少150°，及在其他实施例中，至少200°。（可选择地，也如下面所讨论的，局部的曲率半径也可以被调节以提供，当与一个菲涅尔透镜系统结合时，远距离的虚像）。例如，自身的法线和自身的空间位置可以被调节以覆盖用户的整个-168度，正前方，水平的，每个眼睛的静态视场，具有168度 FS/UWA/RO反射面201和202的边缘到边缘的延伸。如所示的视准线210,211及 212,213. 视准线因此相当于宽动态视场（中央凹和周边）提供给用户。另外，用户自由移动他的/她的眼睛绕着旋转中心215和216，当持续观看计算机生成的影像时。

在图5及图11中，为了表示的方便，FS/UWA/ RO反射面采用球形的一部分表示。实际中，FS/UWA/ RO表面并不是球形的而是具有复杂的结构以便局部的法线和局部的空间位置（及，可选择地，局部的曲率半径）提供期望的静态和动态视场（及，可选的，期望的至虚像的距离）。另外，在图5中，头戴式显示装置的右侧与左侧同样工作，应当理解的对于特殊的应用如果需要两侧可以不同。同样为了表示的方便，图5至图11并没有示出在至少一个图像显示系统和光学反射面之间包括至少一个菲涅尔透镜的光学系统。应当理解的是，依照本发明公开的内容，这样一个光学系统被用于这里公开的实施例中。

图6和图7进一步图示这里公开的FS/UWA/RO反射面提供的静态和动态视场。图6所示为一用户的假定的右眼71具有正前方的注视方向73。眼睛的中央凹和周边视场由弧线75示出，具有-168°的角度范围。注意的是为了表示的方便，在图6至图8中，视场被表示相对于用户眼睛的旋转中心而不是用户瞳孔的中心或边缘。事实上，人眼达到的大视场(例如，-168°)是由于视网膜的大的角度范围允许高度倾斜的光线进入用户的瞳孔并到达视网膜。

图7示意性地示出图6的视场和一头戴式显示装置的交互，该头戴式显示装置具有：（a）一图像显示系统的至少一个发光面81有第一发光区域82（图示为一方形）和第二发光区域83（图示为一三角形）；及（b）一FS/UWA/RO反射面具有第一反射区域84其具有第一自身法线85和第二反射区域86其具有第二自身法线87。

如上面所述，FS/UWA/RO反射面即是一“自由空间”曲面，又是一“超宽视角”曲面。另外，如上面所看到的和下面进一步详细讨论的，FS/UWA/RO反射面可以参于进入眼睛的光线的准直（或部分准直）。这样的准直引起FS/UWA/RO反射面和菲涅尔透镜系统产生的虚像仿佛是位于距离用户非常远的距离，例如，30米远或更多，其允许用户眼睛放松的情况下容易聚焦在虚像上。

FS/UWA/RO反射面的“自由空间”和“超宽视角”特性可以通过调节反射面的局部法线实现以便用户的眼睛看见至少一个图像显示系统的发光面区域当来自FS/UWA/RO反射面的预先约定的区域。（在反射面上预先约定的位置）。

例如，在图7中头戴式显示装置的设计者可能选择对于有利于当用户注视方向朝向正前方时一个方形的虚像88被用户视网膜的中心部分观察，及对于当用户注视方向朝向一三角形的虚像89时被用户视网膜的中心部分观察，例如，正前方朝左-50°。设计者可能会配置至少一个图像显示系统、FS/UWA/RO反射面、菲涅尔透镜系统和系统的其他任意光学组件以便在头戴式显示装置使用过程中方形虚像在正前方及三角形虚像在正前方向左50°。

这样，当用户的注视方向（视线）相交于FS/UWA/RO反射面向前，按照期望正方形的虚像将在用户眼睛的中心是可见的，当用户的注视方向（视线）与FS/UWA/RO反射面的正前方向左50度交叉时，也按照期望三角形的虚像将在用户眼睛的中心可见。虽然没有在图6和图7中示出，同样的方法被用于垂直视场，及偏轴视场。更广泛地，在设计头戴式显示装置及它的每个光学组件时，设计者“映射”显示器的至少一个发光面至光学反射面上以便当眼睛注视在一特定方向时，显示器上期望的部分被用户的眼睛可见。这样，当眼睛扫描整个视场时，水平地及垂直地，FS/UWA/RO反射面把图像显示系统的至少一个发光面的不同部分对准用户眼睛。虽然在前的讨论是依据假定用户视网膜的中心，设计流程，当然，也可以如果需要，采用假定用户的中心凹的位置取代。

应当注意的是图7，用户眼睛向右的任意旋转引起三角形的虚像89不再被用户可见，这样，在图7中，向正前方或向正前方左边任意注视方向提供给用户正方形的虚像及三角形的虚像，当注视方向为正前方向右时提供仅有正方形的虚像。虚像的视敏度，将，当然，取决于虚像是否被用户中央凹视力或用户的周边视力察觉。

如果头戴式显示装置的设计者放置正方形的虚像远至图7中的右边而将三角形的虚像远远地放置在左边，将会使得一些注视方向仅有正方形的虚像是可见的，而其他注视方向仅有三角形的虚像是可见的。同样地，基于这里公开的理论，设计者可以安排正方形的虚像和三角形的虚像以便三角形的虚像一直可见，同时正方形的虚像在一些注视方向可见，但是在其他方向不可见。进一步地变型，头戴式显示装置的设计者可以放置正方形和三角形的虚像在这样的位置，该位置一个或多个注视方向，没有图像对用户是可见的，例如，设计者可以放置虚像对于正前方注视方向刚好在用户静态视场的外面。通过本发明公开的内容提供给头戴式显示装置的设计者的灵活性是如此显而易见。

在一个实施例中，光学反射面的“自由曲面”和“超宽视角”特性通过采用费马和希罗原理其依照光沿着最短（最短时间）光程穿行来实现。共同受让的及未决的美国专利申请13/211，389，用此方法同时提交，以格雷戈里·A·哈里森（G. Harrison）、大卫·艾伦·史密斯（D. Smith）及加里·E·威斯（G. Wiese）的名义申请，名称为“用于创建自由曲面光学反射面的系统和方法”，代理人案号IS-00354，其中的内容通过引用加入在这里。描述了一个实施例，其中费马和希罗原理被用于设计适用于头戴式显示装置的FS/UWA/RO反射面。同样参见共同受让的及未决的美国专利申请13/211，372，用此方法同时提交，以格雷戈里·A·哈里森（G. Harrison）、大卫·艾伦·史密斯（D. Smith）及加里·E·威斯（G. Wiese）的名义申请，名称为“采用一个或多个光学反射面的头戴式显示装置”，代理人案号IS-00267，其中的内容也通过引用加入在这里。

依照费马和希罗最小时间原理，一图像显示系统的至少一个发光面的任一“期望的部分”（例如，一图像显示系统的任一像素）可以被引起具有在FS/UWA/RO反射面上任一期望的点，条件是从至少一个发光面的期望的部分至FS/UWA/RO反射面的反射点，然后至用户眼睛的旋转中心是一个极值。

光路中的一个极值意味着光路长度的一阶导数得到一个零值，代表光路长度的最大值或最小值。一个极值可以被插入视场中的任一点通过产生光学反射面的局部的区域它的法线二等分（1）从局部区域至用户眼睛的向量（例如，从局部区域的中心至用户眼睛的中心的向量）；及（2）从局部区域至发光面的“期望的部分”的向量（例如，从局部区域的中心至发光面的“期望的部分”。图8和图9所示为这个情形的处理过程，其中图像显示系统的至少一个发光面的“期望的部分”是一像素。

特别地，图8所示为一图像显示系统的发光面510包括一常见的像素的矩形阵列，其在光束515的方向朝向头戴式显示装置的前方发射光线。光束515从光学反射面520反射，其为了表示的方便，在图8中显示为平面的光学反射面。反射后，光束515变为光束525，进入用户的眼睛530。

为了对每个像素确定反射器的曲面法线，对应光束515和525，必须确定向量的三维等分线。在图8中，这个等分向量以二维形式的线535示出。等分向量535在反射点540处垂直于光学反射面，那个是反射面520上的位置，在这里发光面510的像素545对于头戴式显示装置的用户将是可见的。

特别地，工作时，显示面510的像素545发射光束515，其从光学反射面520反射以一个角度，由曲面法线及等分向量535和它的垂直平面550确定，服从费马和希罗原理，一反射像素在反射点540由眼睛530沿着光束525看见。为了精确地计算曲面法线在反射点540，光束525可以通过大约是用户眼睛530的中心555。结果保持大约稳定即使用户眼睛旋转，成为周边视力直至，如上面所讨论的，与图6和图7有关。眼睛旋转以便显示区域不能被或者用户的中央凹视场或者周边视场看见。

为了计算反射面法线的位置，可以采用四元法，其中

ql =光束515的方向

q2 =光束525的方向

及

q3 =需要的曲面法线535的方向= (ql + q2)/2

曲面法线可以以向量标记来描述，如图10所示，在图10和下面的方程中，点N是一个远离点M的单元，在光学反射面感兴趣区域的中心，及在光学反射面在点M的垂直于切平面的方向。光学反射面在点M的切平面是可控的以满足下面方程中的关系以便在三维空间，在点M的曲面法线等分点M至点P的线在感兴趣的像素的中心，及等分点M至点C的线在用户眼睛的旋转中心（参考地，点C位于眼睛的前方往后大约13mm）

描述点M的曲面法线上的点N的方程为：

其中，所有点，N,M,P和C具有[x, y, z]分量表明他们在任意笛卡尔坐标系统的三维空间的位置。

法向量N-M的结果具有欧几里德长度：

其中，两个竖条代表欧几里德长度，计算如下：

作为一数值示例， 考虑如下的M，P及C的数值；

沿着法向的点N，计算如下：

及

 

图19所示为几何图，其中等分线位于两个长向量中间。

前述事项，当然，只不过是典型的计算用来说明最小时间的费马和希罗原理在确定局部的切平面约束确定一点场组成一自由曲面（自由形式的）表面各种各样的反射区域，目的在于呈现一连续的虚像给观看者。仅有的物理常数是用户眼睛的中心和眼睛的自然视场。所有的其他的部件可能被反复地更新直到对于一给定的图像显示系统和光学反射面方向达成合适的解决方案。从另一方向看，像素图像反射位置，M1，M2，。。。，Mn，及他们相关联的法线和曲率可能被认为是一弯曲的矩阵（调整的），以便FS/UWA/ RO反射面实现由图像显示系统生成的计算机生成的图像预想的虚像处理。

在应用费马和希罗原理时，应当注意的是在一些实施例中，避免法线被调节以致用户看见在多于一个点看见同一像素反射。同样应当注意的是在一些实施例中，光学反射面的局部区域可以非常小，甚至相当于反射器上的一点，随着这些点与其它点渐变产生一光滑的表面。

为了帮助呈现，菲涅尔透镜系统的存在的效果其没有明白地包含在上面的使用费马和希罗原理以设计一FS/UWA/RO反射面的讨论中。实际上，菲涅尔透镜系统的存在容易被包括在分析通过采用作为费马和希罗计算式的输入，光束在穿过组成菲涅尔透镜系统的光学元件的传播方向后（或其他的用于整个光学系统的光学组件）。这些传播的方向可以，例如，采用高斯光学技术进行测定。如果需要，费马和希罗计算可以被重复对于不同初始光聚散度设置当控制通过改变菲涅尔透镜系统的菲涅尔透镜功率直到获得预期的虚像。

为了确保用户可以容易聚焦在至少一个发光面的“期望的部分”的虚像上（例如，一个像素的虚像），在一些实施例中，围绕反射点的区域（反射区域）的曲率半径被控制以便在通过菲涅尔透镜系统后，及从FS/UWA/RO反射面反射后，一准直的（或近似准直的）图像到达用户。如上面所述，一准直的(或近似准直的)具有大多数平行的光线，仿佛图像产生于一距离用户非常远的地方，例如，几十米或几百米远。为了得到这样一个表面，依照菲涅尔透镜系统的准直功率，光学反射面的反射区域的曲率半径，对应的至少一个发光面的“期望的区域”（期望的发光像素）可以保持半径大约在（但是大于）二分之一的距离自反射区域至真正的发光面的期望区域（真正的像素）在显示器上。更特别地，半径将大约为二分之一的视距自反射区域至发光面的期望区域，当从反射区域的位置通过菲涅尔透镜系统观看期望区域时。

这样，在一个实施例中，反射像素之间的法向量从重要的像素到毗邻的像素满足一关系允许他们建立一曲率半径大约为二分之一的向量长度从反射面的反射像素的位置到显示像素的表面上的距离。影响参数的调整包括至少一个发光面的尺寸和是否至少一个发光面是弧面的。

图9所示为这样一个实施例，为了控制围绕像素反射的区域的曲率半径，以便准直的（或近似准直的）图像达到用户，两个毗邻的像素反射区域，比如，点反射区域540，本考虑。更多区域可能被考虑为了更好地平衡但是两个是足够的。参照图9，两个像素反射点540和610被标示涉及两个像素545及615.各自在显示面510.曲面法线在点540及610被计算随同他们的方向的角度。了解到这些角度和距离在点540和点610之间曲率半径被计算。特别地，表面结构，如果需要，表面的空间位置被调节直到曲率半径在大约光线515和620的长度的平均的一般。 

除了控制自身的曲率半径，在特定实施例中，当第一阶点解决方法具有一准直的（或近似准直的）图像进入眼睛，至少一个发光面名义上位于一远离FS/UWA/RO反射面的一个焦距的距离，其中焦距基于组成FS/UWA/RO反射面的不同反射区域的曲率半径的平均值

应用费马和希罗原理的结果是一组反射区域其可能组合成一光滑的反射面。这个反射面，一般来说，不是球面的或对称的。图11是一FS/UWA RO表面520的二维图示。如上面讨论的，表面520可能被构造以便在点710和720的曲率半径被设置在数值，其，当与菲涅尔透镜系统的准直效果相结合时，提供放松状态下来自图像显示系统的至少一个发光面的图像的观察，其被光学反射面反射。这样，在一定的方向图示为730线的方向将提供一准直的（或近似准直的）虚像给眼睛730，当从不同的方向图示为线740的方向看时。为了观看能够从一个控制点至另一点平滑过渡，通过使用用于样条曲面的非均匀有理B样条图(NURBS)，然后通过光学反射面产生一平滑过渡。在某些情况下，FS/UWA/RO反射面可以包括足够数目的区域以便表面在，在一些实施例中，对于显示的每一部分的不同的放大率（例如，每个像素） 和图像质量。

如前述，可以看到的是整个头戴式显示装置可以被设计采用下列的示例步骤：确定一期望的视场，选择一显示面尺寸（例如，宽度和高度尺寸）选择显示面相对于反射表面的方位，在图像显示器和光学反射面之间为菲涅尔透镜系统选择一候选位置，为菲涅尔透镜系统选择一候选的结构，当透过所述菲涅尔透镜系统编排显示面上每个像素的位置，光学反射面上显示面为显示器选择一每个像素的显示位置。显示面和菲涅尔透镜系统可以被放置在眼睛上方，向着光学反射面倾斜，允许光学反射面的曲率去反射光线至佩戴者的眼睛。在进一步的实施例中，显示面和菲涅尔透镜系统可以被放置在其他位置，例如眼睛的侧边或眼睛的下方，随着反射位置和选择从显示面反射光线的曲率，或倾斜至不同的角度。

在一特定实施例中，可以创建光学反射面的三维示例或数学模型表示，及，如上所述，光学反射面的每一区域作为局部区域具有法线，该法线将向量一分为二从区域的中心至用户眼睛的中心及显示面上像素的中心（由菲涅尔透镜系统的存在导致的像素明显的位置的中心）。如上面所讨论的，围绕一像素反射的区域的曲率半径可以被控制以便于菲涅尔透镜系统的准直效果结合，一准直的（或近似准直的）图像到达用户横穿视场。通过基于计算机的迭代，可变的参数（例如，光学反射面的局部法线、局部曲率及局部空间位置及菲涅尔透镜系统的透镜单元的数量，透镜单元的功率、透镜单元的曲率及透镜单元的位置）可以被调节直到一参数的组合（集）被认为在视场中提供了一理想的光学性能水平，及可制造的设计其在美学上是可接受的。

使用中，非对称的FS/UWA/ RO表面（其，在特定实施例中，由多个聚焦的局部区域的样条曲面构建）结合一菲涅尔透镜系统形成图像显示系统的至少一个发光面的虚像。图像显示系统横跨一宽视场。 FS/UWA/RO反射面可以被认为是一渐进式镜子或渐进式弧形的光束分光器或一自由形状的镜子或反射器。当眼睛扫描穿过视场时，既在水平方向也在竖直方向，弧面的FS/UWA/RO反射面照射图像显示系统的至少一个发光面的不同部分进入用户眼睛。在不同的实施例中，整个光学系统可以在保证图像质量与人眼特有的视力分辨率相当的基础上大量低成本的制造。

采用非FS/UWA/RO反射面的头戴式显示装置

如上所述，图4表明了一头戴式显示装置光学系统的实施例，其采用一弧面的FS/UWA/RO反射面和一弧面的菲涅尔透镜系统。头戴式显示装置光学系统采用弧面的非FS/UWA/RO反射面的光学反射面，及那些采用平面的光学反射面，同样可以得益于采用一弧面的菲涅尔透镜系统在一图像显示系统和一光学反射面之间。图12-14显示了一示例性实施例采用一平面的光学反射面和一弧面的菲涅尔透镜系统。

图12，所示为一用户1300佩戴一头戴式显示装置，该头戴式显示装置包括一光学穿透式，增强现实的双目观测器1310。双目观测器1310包括至少一个图像显示系统1320，至少一个光学反射面1380，及至少一个弧面的菲涅尔透镜系统，其提供显示系统的近距观察和宽视场。代表性的，双目观测器1310将为每只眼睛包括一显示系统/弧面的菲涅尔透镜系统/光学反射面的组合，虽然如果需要的话一个或多个这些部件可以服务两只眼睛。

如图12所示，弧面的菲涅尔透镜系统包括菲涅尔透镜组1330和1335。平面的菲涅尔透镜1330和弧面的菲涅尔透镜1335都可以应用在不同的实施例中提供一100度或更多的视场。与这里讨论的其他示例性实施例一致，弧面菲涅尔透镜系统可以采用比图12所示的透镜更多或更少的菲涅尔透镜组。在一个实施例中，一单个弧面的菲涅尔透镜单元可以被采用。应该注意的是在采用FS/UWA/RO反射面的实施例中，一单个菲涅尔透镜单元，例如，可以采用一单个弧面的菲涅尔透镜单元。在另一实施例中，图13和图14所示为采用三个菲涅尔透镜单元1125，1130和1135。

一电子组件1340被提供用于控制由至少一个图像显示系统1320显示的图像。电子组件1340可以包括加速度计和陀螺仪用于对用户定位。电能和视频信号通过一传输电缆1350或无线媒介往返于双目观测器。一组摄像头1370设置于用户头部的相对两侧提供输入给头戴式显示装置的软件包以帮助控制增强现实景像的计算机生成。

光学穿透式、增强现实的双目观测器1310包括至少一个光学反射面1380，其允许至少一个内部生成的图像覆盖至少一个从外部环境进入双目观测器的图像。特别的，光线1386从外部环境通过光学反射面1380进入双目观测器。光线1386与从图像显示系统和弧面的菲涅尔透镜系统过来的被光学反射面1380反射的光线1385结合后朝向用户眼睛。结果是混合光线1387进入用户眼睛当用户看向点1390的方向时。用户的周边视力允许用户看见从光学反射面1380其他部分远离点1390处反射的光。

在一个实施例中，如图所示，至少一个图像显示系统1320和弧面的菲涅尔透镜系统（例如：菲涅尔透镜1330和1335）被支撑在用户的眼睛上在大体水平的平面上延伸，投影远离眼睛。对于这个实施例，至少一个光学反射面1380可以被一头戴式显示装置的向前的前框架部分的底部边缘支撑（结合），并有一角度从至少一个图像投影装置1320反射光线进入用户的眼睛。在一个实施例中，光学反射面1380成一定角度以便它的顶端最大程度远离用户的脸部而它的底端离用户的脸部最近。如果需要，光学反射面可以包括平面（或弧面）部分在脸部的侧面。

图12所示的头戴式显示装置的光线轨迹分析见图13和图14所示。图13和图14的实施例采用三个菲涅尔透镜单元1125、1130和1135，而不是图12所示的两个菲涅尔透镜单元1330和1335。在图13和图14中，光线1430、1435和1440以这种方式，光线1440从外部环境进入，结合从光学反射面1380反射的光线1430，产生混合光线1435当用户看向点1442的方向时进入用户的眼睛。用户的周边视力也允许用户从光学反射面1380上远离点1442的其它部分看见光。

最好如图14所示，光线1460发散的波前从至少一个图像投射装置1320发出被一正屈光度的具有菲涅尔透镜1125、1130、及1135的菲涅尔透镜系统提供零屈光度光线1430，其冲向平面光学反射面1380，在这里光线被弯曲成零屈光度光线1435进入眼睛的光瞳。这相当于光线来自于一事实上无穷远的点，并且光线的波前是平的，结果是平行曲面垂直于波前，见光线1435，通过入射光瞳进入眼睛。光学反射面1380也允许光线1440从外部环境进入（见图13），这样允许内部图像覆盖外部图像，同样地，如图14所示，外部产生的光束1510也同样地。

直视式头戴式显示装置

除了上面的应用，一弧面的菲涅尔透镜系统也可以被用于一图像显示系统的直视，不设有介入的光学反射面。这样一种设置将是浸入式的但是通过使用一个或多个视频摄像机可以包括外部世界信息。通过使用一包含堆叠的菲涅尔透镜的菲涅尔透镜系统，一具有短焦距和高倍率的光学系统，其可以实现在一紧凑空间内映射一显示器的一个图像进入一宽视场。

图15是一用户900佩戴一头戴式显示装置有一浸入式双目观测器910的侧视图。在头戴式显示装置内部是用于每只眼睛的至少一个图像显示系统920，其和一弧面的菲涅尔透镜系统930被调节用于近距观察。一电子组件940可以包括加速度计和/或陀螺仪控制显示的图像及提供位置、方位和姿态信息以同步用户活动和显示器上的图像。往返于双目观测器的电能和视频可以被提供通过一传输电缆950或无线媒介。用户900及双目观测器910的俯视图如图16所示，包括眼睛955和鼻子960与双目观测器910相关。菲涅尔透镜系统930的菲涅尔透镜是堆叠的和弯曲的。

在这个实施例中，至少一个图像显示系统920被安装在头戴式显示装置的框架正好在用户眼睛的前方，基本上直立的方向以便像素发出光线直接朝向用户眼睛的方向以提供浸入式虚拟世界体验。弧面的菲涅尔透镜系统930被安置在图像显示系统920的显示屏幕和用户眼睛之间，允许眼睛聚焦于屏幕非常接近。

图15和图16所示的头戴式显示装置的工作可以利用光线轨迹来观察。图17所示为光线1120发散的波前从至少一个图像显示系统920发出，被一正屈光度的具有菲涅尔透镜1125、1130和1135的菲涅尔透镜系统准直，提供近似零屈光度的光线1140 给用户眼睛的光瞳1145。光线1140等同于来自于一本质上无穷远的点，光线的波前是平的，结果是平行曲面垂直于波前，如光线1140所示，通过入射光瞳1145进入眼睛。

进一步地，在图17中，可以看出具有菲涅尔透镜1125、1130和1135的弧面的菲涅尔透镜系统允许光线1150穿过菲涅尔透镜1125,1130和1135的边缘一场点1155从一与源自于点1165的光束1160不同的方向进入眼睛。具有菲涅尔透镜1125、1130和1135的弧面的菲涅尔透镜系统允许光线看上去沿着一光束路径1170进入用户视场。这可让由角度1175所示的明显的视场（明显视角）增加。

图18是一光线轨迹图，显示准直的平行光束1140通过光瞳1145进入眼睛1205，被聚焦于中央凹1210，在中心凹产生最高视觉灵敏度。附近的视网膜1215响应更宽的视场但是具有较低灵敏度，比如在点1220和1225。

总论

根据头戴式显示装置的整体结构，表1给出依照本发明公开的内容，构造一个头戴式显示装置的代表性的，非限制的，参数示例，依照这些参数可以构建本发明公开的头戴式显示装置。另外，这里公开的头戴式显示装置有着足够小的像素间距确保在使用者的可视平面上产生一令人信服的图像。

在此公开的头戴式显示装置可以具有不同的特征，不限于下面，其中的一些已经被上面引述过：

(1)在一些实施例中，光学反射面（当使用时）可以是半透明的，允许光线从外部环境进入。内部显示器生成的图像然后可以覆盖外部图像。两个图像可以通过使用定位设备对齐，例如陀螺仪，照相机，计算机生成图像的软件处理以便虚像呈现在外部环境的合适位置。特别地，使用一物理实体存在的照相机、加速度计和/或陀螺仪辅助装置对齐及叠加图像在外部图像上。在这些具体实施例中，可以选择光学反射面的相对透射率和相对反射率的平衡，以提供给用户一具有合适亮度特性的重叠的图像。同样在这些具体实施例中，真实的图像和计算机生成的图像可以看上去有近似相同的视距，以便于眼睛可以同时聚焦到两个图像上。

(2)在一些实施例中，光学反射面（当使用时）尽可能地薄，为了尽可能地减小对于通过光学反射面的外部光的焦点或位置的影响。

(3) 在一些实施例中，头戴式显示装置给每只眼睛提供的视场至少为100度，150度或至少200度。

(4) 在一些实施例中，头戴式显示装置给每只眼睛提供的视场即使再大也不会与使用者的鼻子重叠。

(5) 在一些实施例中，光学反射面（在使用时）可以采用一光学处方在视场内连续变化的光学反射面，确保聚焦在有效的显示区域。

(6) 在一些实施例中，使用光线轨迹自定义头戴式显示装置参数实现特殊应用，例如军事训练，飞行模拟，游戏及其他商业应用。

(7)在一些实施例中，光学反射面（在使用时）和/或显示器表面，以及菲涅尔透镜的特性和位置，显示器和光学反射面（当使用时）的距离及光学反射面（当使用时）和眼睛的距离，可以在视网膜和或中央凹被控制依照调制传递函数规范。

(8)在一些实施例中，这里公开的头戴式显示装置可以在一些应用比如，但不限于狙击探测，商业训练，军事训练和作业，和CAD制造中实现。

(9)虽然图形中显示为平面，图像显示系统也可以有弧形的发光面。

一旦设计好，这里公开的光学反射面(例如，FS/UWA/ RO面)可以被制造，例如大批量地制造，采用已知的或随后开发的各种技术和材料。例如，光学反射面可以采用塑料材料制成，这种塑料已经被金属化利于反射，抛光的塑料和玻璃材质也可以使用；为了“增强现实”的应用，光学反射面可以通过一具有嵌入式小型反射器的透射材料制造，该透射材料反射一部分入射光允许光通过材料透射。特别考虑这里公开的弧面的菲涅尔透镜系统，那些系统的一个或多个弧面的菲涅尔透镜可制得，已经弯曲好的或由弧面材料制得的，例如弧面玻璃或允许装配时弯曲的塑料。

对于原型零件，亚克力塑料（例如，树脂玻璃）可以被使用，零件以金刚石车削成形。对于成品零件，不管亚克力或树脂可以，例如，零件例如采用注射模成型技术生成。可以采用边缘最小厚度为2 mm，需要相应尺寸的菲涅尔透镜部件。一典型的菲涅尔瓣面的宽度可以大约为200微米。光学反射面可以采用详细的计算机辅助绘图（CAD）图进行描述，或曲线曲面的非均匀有理B样条图(NURBS)，其可以转换为CAD图，有了CAD文档可以运行设备通过3-D打印技术打印出来，在3-D打印中CAD图可以不需要机械制造直接产生一三维实体。

上述提及的数学方法可以采用各种不同的已知的或随后开发的编程环境和/或编程语言进行编码，当前优选的编程环境是运行在Eclipse程序界面的Java语言。其他编程环境如果需要也可以采用例如Microsoft Visual C#，也可以通过位于马萨诸塞州的尼德姆的PTC公司出售的Mathcad平台进行计算，和/或通过位于马萨诸塞州的纳蒂克的Math Works公司出售的Matlab平台进行计算。生成的程序可以存储在硬盘、记忆棒、CD或相类似的设备中。程序可以通过标准的台式计算机运行，台式计算机可向很多销售商购买，例如：DELL, HP, TOSHIBA等等，或者，如果需要的话采用更强大的计算平台如云计算。

本领域普通技术人员从上述的公开文件进行的不脱离本发明的保护范围和思想的各种修改将是显而易见的。接下来的权利要求书尽量覆盖这里提到的特定的实施例及修改、变型及那些实施例的等同方式。

表1

名称	描述	单位	最小值	最大值
					反射面离眼睛的距离		mm	10	400
反射面离显示器的距离		mm	10	400
					显示器尺寸	水平方向的	mm	9	100
	垂直方向的	mm	9	100
					显示器分辨率	水平方向的	像素	640	1920+
	垂直方向的	像素	480	1080+
					头戴式显示装置重量		克	1	1000
头戴式显示装置尺寸	在人脸前方距离	mm	10	140
					人眼光瞳尺寸		mm	3至4	5至9
光学反射面尺寸	例如，不超过头部宽度的二分之一	mm	30	78
					光学反射面的数量		单位	1	3+
进入眼睛的最大照度	例如，在明亮的晴天允许看见的足够亮度	英尺烛光	5,000	10,000
					电池使用时间		小时	3	4
光学分辨率	最大	弧分RMS模糊直径	1	10
						分辨率的线条的估计值		1	5
图像明显亮度的最大偏差		百分比	0	20
					最大图像失真		百分比	0	5
估计的最大亮度导数		百分比/度	0	5

Claims (36)

1.一种头戴式显示装置包括，

1) 适于安装在使用者头部的框架；

2) 由所述框架支撑的图像显示系统；

3) 由所述框架支撑的光学反射面，所述光学反射面采用沿着三维笛卡尔坐标系中的任一坐标轴非旋转对称的连续表面；及

4) 由所述框架支撑的菲涅尔透镜系统，菲涅尔透镜系统(115)位于图像显示系统(110) 和光学反射面(120)之间，

其特征在于，

a) 所述图像显示系统包括至少一个发光面；

b) 使用时，所述光学反射面在至少一个所述发光面的空间上分离的部分产生空间上分离的多个虚像，至少一个所述空间上分离的虚像与至少另一个所述空间上分离的虚像的夹角至少为100度，所述夹角自一假定用户眼睛的旋转中心测量而得； 

c) 使用时，所述光学反射面上至少一点与所述光学反射面上至少另一点的夹角至少为100度；所述夹角自一假定用户眼睛的旋转中心测量而得。

2.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，

至少一个所述空间上分离的虚像与至少另一个所述空间上分离的虚像的夹角至少为150度；及

所述光学反射面上至少一点与所述光学反射面上至少另一点的夹角至少为150度。

3.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，

至少一个所述空间上分离的虚像与至少另一个所述空间上分离的虚像的夹角至少为200度；及

所述光学反射面上至少一点与所述光学反射面上至少另一点的夹角至少为200度。

4.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，在使用时， 

至少一个所述空间上分离的虚像位于穿过所述光学反射面上至少一点的注视方向；及

至少另一个所述空间上分离的虚像位于穿过所述光学反射面上至少另一点的注视方向。

5.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述光学反射面采用半透明的光学反射面。

6.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述头戴式显示装置只包括一个光学反射面。

7.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述头戴式显示装置只包括两个光学反射面；每个所述光学反射面用于使用者的一只眼睛。

8.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜系统只包括一个菲涅尔透镜单元。

9.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜系统只包括两个菲涅尔透镜单元，每个所述菲涅尔透镜单元用于使用者的一只眼睛。

10.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜系统与所述图像显示系统的至少一个发光面发射的光线至少部分平行。

11.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述光学反射面配置为与所述图像显示系统的至少一个发光面发射的光线部分平行。

12.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜系统包括至少一个弧面的菲涅尔透镜单元。

13.如权利要求12所述的头戴式显示装置，其特征在于，至少一个弧面的菲涅尔透镜单元的凹面朝向所述光学反射面。

14.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜系统包括多个堆叠设置的菲涅尔透镜单元。

15.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜系统包括至少一个菲涅尔透镜单元，所述菲涅尔透镜单元包括多个瓣面，多个所述瓣面之间通过边分开；在使用所述头戴式显示装置过程中，至少一部分所述边沿着经线方向设置，通过假定用户眼睛的旋转中心或通过眼部晶状体的中心或者在眼角膜曲面的法线方向。

16.一种头戴式显示装置包括，

1)适于安装在使用者头部的框架；

2) 由所述框架支撑的图像显示系统；

3)由所述框架支撑的一自由曲面、超宽视角的光学反射面；及

4)由所述框架支撑的菲涅尔透镜系统，所述菲涅尔透镜系统位于所述图像显示系统和自由曲面、超宽视角的所述光学反射面之间；

其特征在于，

a) 所述图像显示系统包括至少一个发光面；

b) 使用时，自由曲面、超宽视角的所述光学反射面和所述菲涅尔透镜系统在至少一个所述发光面的空间上分离的部分产生空间上分离的多个虚像，至少一个所述空间上分离的虚像与至少另一个所述空间上分离的虚像的夹角至少为100度，所述夹角自一假定用户眼睛的旋转中心测量而得。

17.如权利要求16所述的头戴式显示装置，其特征在于，至少一个所述空间上分离的虚像与至少另一个所述空间上分离的虚像的夹角至少为150度。

18.如权利要求16所述的头戴式显示装置，其特征在于，至少一个所述空间上分离的虚像与至少另一个所述空间上分离的虚像的夹角至少为200度。

19.如权利要求16所述的头戴式显示装置，其特征在于，自由曲面、超宽视角的所述光学反射面是半透明的。

20.如权利要求16所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜系统与所述图像显示系统的发光面发射的光线至少部分平行。

21.如权利要求16所述的头戴式显示装置，其特征在于，自由曲面、超宽视角的所述光学反射面配置为与所述图像显示装置的发光面上发射的光部分准直。

22.如权利要求16所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜系统包括至少一个弧面的菲涅尔透镜单元。

23.如权利要求22所述的头戴式显示装置，其特征在于，至少一个弧面的所述菲涅尔透镜单元的凹面朝向所述光学反射面。

24.如权利要求16所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜系统包括多个堆叠设置的菲涅尔透镜单元。

25.如权利要求16所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜单元包括多个瓣面，多个所述瓣面之间通过边分开；在使用所述头戴式显示装置过程中，至少一部分所述边沿着经线方向设置，通过假定用户眼睛的旋转中心或通过眼部晶状体的中心或者在眼角膜曲面的法线方向。

26.一种头戴式显示装置包括，

1) 适于安装在使用者头部的框架；

2)由所述框架支撑的图像显示系统；

3)由所述框架支撑的光学反射面；及

4)由所述框架支撑的菲涅尔透镜系统，所述菲涅尔透镜系统位于所述图像显示系统和所述光学反射面之间；

其特征在于，所述菲涅尔透镜系统包括至少一个弧面的菲涅尔透镜单元。

27.如权利要求26所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述光学反射面与所述菲涅尔透镜系统提供给假定用户的视场至少为100度。

28.如权利要求26所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述光学反射面采用半透明的光学反射面。

29.如权利要求26所述的头戴式显示装置，其特征在于，在使用所述头戴式显示装置时，所述菲涅尔透镜系统与图像显示系统发射的光线至少部分准直。

30.如权利要求26所述的头戴式显示装置，其特征在于，在使用所述头戴式显示装置时，所述光学反射面设置为与所述图像显示系统的发射光线部分准直。

31.如权利要求26所述的头戴式显示装置，其特征在于，至少一个弧面的所述菲涅尔透镜单元的凹面朝向所述光学反射面。

32.如权利要求26所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜系统包括多个堆叠设置的菲涅尔透镜单元。

33.如权利要求26所述的头戴式显示装置，其特征在于，弧面的所述菲涅尔透镜单元包括多个瓣面，多个所述瓣面之间通过边分开；在使用所述头戴式显示装置过程中，至少一部分所述边沿着经线方向设置，通过假定用户眼睛的旋转中心或通过眼部晶状体的中心或者在眼角膜曲面的法线方向。

34.一种头戴式显示装置包括，

1)适于安装在使用者头部的框架；

2)由所述框架支撑的图像显示系统，及

3)由所述框架支撑的菲涅尔透镜系统；

其特征在于，

使用时，所述菲涅尔透镜系统位于所述图像显示系统和一假定用户眼睛之间；所述菲涅尔透镜系统包括至少一个菲涅尔透镜单元，所述菲涅尔透镜单元包括多个瓣面，多个所述瓣面之间通过边分开；在使用所述头戴式显示装置过程中，至少一部分所述边沿着经线方向设置，通过假定用户眼睛的旋转中心或通过眼部晶状体的中心或者在眼角膜曲面的法线方向。

35.如权利要求34所述的头戴式显示装置，其特征在于，在使用所述头戴式显示装置时，所有所述边沿着径向方向设置，通过假定用户眼睛的旋转中心或通过眼部晶状体的中心或者在眼角膜曲面的法线方向。

36.如权利要求34所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜系统位于所述图像显示系统和一光学反射面之间。

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