CN103348278A - 具有像素透镜的准直的显示器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种显示组件(515)，包括：(a)图像显示系统(10)，其中包含像素阵列(120)和(b)像素透镜阵列(115)。该像素透镜阵列具有的每个透镜定位用以准直或基本准直来自对应的像素阵列的单个像素的光线。该显示组件（515）用于头戴式显示装置（500），该显示装置包括一用以支撑该显示组件（515）使其与用户的眼镜保持一想要的距离的框架（510）。该头戴式显示装置也包括一光束分光器（520）用以反射从该显示组件（515）到该用户眼部的图像。该头戴式显示装置也提供一宽广的视野给用户并且可以制成增强现实或沉浸式的类型。

Description

具有像素透镜的准直的显示器

 

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：申请号61/423,934的美国临时专利申请案(名称为具有像素透镜的准直的显示，于2010年12月16日提交)；申请号61/424,162的美国临时专利申请案（名称为用于现实增强头戴式显示器的像素透镜，于2010年12月17日提交），以及申请号61/424,166的美国临时专利申请案（名称为用于沉浸式的头戴式显示器的像素透镜，于2010年12月17日提交），全部以引用的方式并入本文中。

技术领域

本申请涉及一种头戴式显示装置并且，尤其是，涉及一种头戴式显示装置，该装置采用一透镜的阵列，该透镜的阵列用于准直或部分准直发射自像素图像显示系统的光线（透镜的阵列在本文中指的是“像素透镜”）。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反射面，如，一个或多个自由曲面、超宽视角的光反射面（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。

所述一个或多个像素透镜及，当使用时，所述一个或多个光反射面（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能够例如通过遮光板或目镜来观察世界，在所述遮光板或目镜之上与所执行的任务祥光的额外的数据被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/部分透射的光表面（一“分光器”）实现，其中，光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反射面可以给用户提供：(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，光反射面产生一用于用户观察的虚像（在光学意义上的）。以往，这样的光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将人眼的中央凹视场和周边视场对准不同的方向。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°为用户带来相应的有益效果。

为了人眼能够更容易地聚焦在在距离人眼不足10英寸的显示器上，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。同样，因为本方法寻求准直来自所有像素的组的光，他们都缺乏能力控制在像素和像素之间的准直并且易于导致该准直的光线的光学像差。

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“光反射面”（也称为“反射面”或“反射器”）包括仅仅反射的表面（不管是平面，凹面，连续平面，或在空间上分开的部分组成的平面），也包括既有反射性也有透射性的表面。不论哪种情况，反射性只能是部分的，即，部分入射光能够穿透表面。同样地，当反射面既有反射性又有透射性时，反射性和/或透射性可以是部分的；如下面所讨论的，在某个实施例中，单个光反射面用于两只眼睛或每只眼睛有各自的光反射面。其他变化形式包括采用多个光反射面同时用于两只眼睛或者分别用于每只眼睛。也可以采用混合匹配组合，如一单个光反射面用于一个眼睛，多个光反射面用于另一只眼睛。进一步可选地，一个或多个光反射面只用于用户的一只眼睛。下面提出的权利要求意图覆盖这些和其他光反射面的结构。尤其是，每项涉及光反射面的权利要求意图涵盖包括至少一个这种类型的光反射面的头戴式显示装置。

(2) 术语“一具有发光表面的图像显示系统，其中包括一发光像素阵列”（也在这里指“图像显示系统”或一“显示系统”）通常用于包括任何有像素表面（不管是平面，凹面，连续平面，或在空间上分开的部分组成的平面）的系统，发射的光形成一可视的图像，不论是通过穿透该表面的光、在该表面产生的光（如，通过LED发光阵列产生），表面反射来自另一光源的光，诸如此类。图像显示系统采用一个或多个图像显示装置，例如，一个或多个LED，OLED和/或LCD阵列。与光反射面一样，单个图像显示系统能够用于两只眼睛或每只眼睛有各自的图像显示系统。其他变化形式包括采用多个图像显示系统同时用于两只眼睛或者分别用于每只眼睛。也可以采用混合匹配组合，如一单个图像显示系统用于一个眼睛，多个图像显示系统用于另一只眼睛。进一步可选地，一个或多个图像显示系统只用于用户的一只眼睛。下面提出的权利要求意图覆盖这些和其他图像显示系统的结构。尤其是，每项涉及具有发光表面的图像显示系统，其中所述发光表面包括发光像素整列，的权利要求意图涵盖包括至少一个这种类型的系统的头戴式显示装置。

(3) 术语“显示组件”是指在所述图像显示系统的发光侧的像素透镜阵列和图像显示系统。

(4) 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/或一个光反射面）的装置

(5) 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。

6) 术语“基本准直”取决于这里公布的技术的特别应用，如果在用户眼部的光的聚散度超过-1.0屈光度，这里通常是指，来自发光发射像素的光是“基本准直的”。作为参考，一光源在25米具有-0.04的屈光度并且由此如果像素透镜或其组合和光学反射曲面（当使用时）引起在25米的光源在用户眼部产生-0。04的屈光度超过1.0,例如，少于-1.0,并且因此这样的光会被认为是基本准直的。作为进一步的参考，来自不具有任何准直的图像显示系统发射的光，可以具有一大约在与视线有3厘米位置含-33屈光度。

发明内容

依照第一方面，本发明公布的头戴式显示装置包括：

1）适于安装在用户头部上的框架

2）具有发光表面的图像显示系统，所述发光表面包括发光像素阵列，所述图像显示系统由所述框架支撑（例如，所述框架将所述图像显示系统支撑在一固定位置，在HMD使用过程中中，所述固定位置不在用户视场范围内）；

3）一由所述框架支撑的光反射面，（例如，所述光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（不是旋转表面），例如，所述光反射面可以是沿着具有任意原点的三维笛卡尔坐标系的x轴, y轴,或 z轴非旋转对称的自由曲面的、超宽视角的光反射面）；

其中：

a) 所述装置包括位于所述发光像素阵列和光反射面之间的像素透镜阵列， 每个发光像素对应一个像素透镜， 在使用所述装置期间，所述像素透镜对准并接受来自它的相应的发光像素的光；以及

b) 在使用所述装置期间，所述像素透镜阵列可以独自或与光反射面一起准直或基本准直来自所述发光像素阵列发射的光。

依照另一方面，本发明公开的头戴式显示装置包括：

1）适于安装在用户头部上的框架；

2)一具有发光表面的图像显示系统，其中所述发光表面包括一发光像素阵列，所述图像显示系统由所述框架支撑；以及

3）由所述框架支撑的一自由曲面的、超宽视角的光反射面；

其中：

a) 所述装置包括位于所述发光像素阵列和所述自由曲面的、超宽视角的光反射面之间的像素透镜阵列， 每个发光像素对应一个像素透镜， 在使用所述装置期间，所述一个像素透镜对准并接受来自它的相应的发光像素的光；以及

b）在使用所述装置期间，所述自由曲面的、超宽视角的光反射面与像素透镜阵列产生所述发光表面的空间上分离的部分的空间上分离的虚像，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。（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。

依照另一方面，本发明公布的头戴式显示装置包括：

1）适于安装在用户头部上的框架；以及

2）由所述框架支撑的显示组件，所述显示组件包括：

a) 一具有发光表面的图像显示系统，其中所述发光表面包括一发光像素阵列, 以及

b) 一像素透镜阵列，每个发光像素对应一个像素透镜， 在使用所述装置期间，所述一个像素透镜对准并接受来自它的相应的发光像素的光；

其中，在使用所述装置期间，所述像素透镜阵列是所述装置的唯一一个在发光表面和用户视野之间具有光学性能的部件。

依照另一方面，本发明公布的头戴式显示装置包括：

1）适于安装在用户头部的框架；以及

2）由所述框架支撑的图像显示系统；其中：

（a）所述图像显示系统包括一发光表面，所述发光表面包括一发光像素阵列；

（b）所述装置包括球体状的像素透镜整列，每个所述发射光像素对应一个球体状的像素透镜，在使用所述装置时，所述球体状的像素透镜位于发光像素阵列和用户眼部之间。

根据本发明的第五个方面，一方法包括如下步骤：

通过一具有发光表面的图像显示系统产生图像，所述发光表面包括发光像素阵列；

通过对准发光像素阵列的像素透镜阵列中各自的像素透镜阵列独自准直或基本准直来自发光像素阵列中每个发光像素的光。

将所述准直或基本准直的来自发光像素阵列的光提供至位于相对于用户眼睛的位置的反射器；以及

将所述准直或基本准直的的光从所述反射器反射到用户的眼睛。

根据本发明的第六个方面，一方法包括如下步骤：

（a）通过一发光像素阵列产生光；

（b）在一像素透镜阵列位置接受由所述发光像素阵列产生的光，这样通过在像素透镜中相应的像素透镜准直或基本准直来自每个发光像素的光；以及

（c）直接将所述准直或基本准直后的光提供至用户的眼部（即，避免穿过一透镜或其他具有光源的光学部件）。

在不同的实施例中，装置和方法的特征在于：（i）所述光反射面（在使用时）与像素透镜阵列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。（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；以及（ii）所述光反射面上至少一点与所述光反射面上至少另一点的夹角至少为100度（在一些实施例中，至少为150度并且，在其他实施例中，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。对于这些实施例，在使用时，至少一个空间上分离的虚像位于沿着穿过所述光反射面的至少一点的注视方向上，并且至少另一个空间上分离的虚像位于沿着穿过所述光反射面的至少另一个点的注视方向上。

在不同的实施例中，一单独的像素透镜阵列，一单独的显示系统，和/或一单独的光反射面（当使用时）应用于用户的每个眼部。在其他实施例中，所述光反射面（当使用时）有助于准直（或基本准直）来自图像显示系统的光，所述图像显示系统由像素透镜阵列提供，这样有助于通过曲面的表面局部半径获得的准直（或基本准直。 

在不同实施例中，所述HMD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反射面特别是FS/UWA/RO反射面的瞳孔成形系统可以避免。

应该理解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是根据一个实施例的显示组件的局部剖视图，该显示组件包括一用于每个像素的准直像素透镜。

图2是根据一个实施例的显示组件的剖视图，该显示组件包括一用于每个像素的准直像素透镜。

图3为根据一个实施例的显示组件的透视图，该显示组件包括一用于每个像素的准直像素透镜。

图4为根据一个实施例的光线的图表，该光线通过一像素透镜进行准直。

图5为根据一个实施例的光线的图表，该光线通过一可选的像素透镜进行准直。

图6为根据一个实施例的增强现实头戴式显示装置的侧视图，该装置具有像素透镜。

图7是根据一个实施例的用户穿戴图6中的该增强现实头戴式显示装置的前视图。

图8是根据一个实施例的用于图6和图7中所述的增强现实头戴式显示装置的光线路径的图表。

图9是根据一个实施例的描述具有像素透镜的增强现实头戴式显示装置的光线的图表。

图10是根据一个实施例的描述光线进入一眼球的图表。

图11是根据一个实施例的头戴式显示装置的俯视图，该头戴式显示装置描述了两个光学反射曲面对应于用户的双眼。

图12是一正常人类在前方直视的视野范围的示意图。

图13是根据一个实施例的描述了在图12中的视野范围与FS/UWA/RO表面之间的交互的示意图。在图13中的箭头描述了光线传播的方向。

图14是根据一个实施例的光学路径的示意图，该路径来自于一在显示上的给定像素，并且光线发射朝向眼部。 

图15是根据一个实施例的描述的用于几何计算本地法向垂直与反射平面的示意图。

图16是根据一个实施例的光线路径的图表，该光线路径来自于在一显示上的两个像素，并且该光线被反射朝向一眼部。

图17根据一个实施例的描述的使用在选择反射器的局部法线的方向的变形。

图18是根据一个实施例的曲面反射器沿着光线路径的示意图。

图19是根据一个实施例的一可选的具有像素透镜的增强现实头戴式显示装置的侧视图。

图20是根据一个实施例的一具有像素透镜的沉浸式头戴式显示装置的侧视图。

图21是根据一个实施例的描述的光线路径的图表，该光学路径用于具有像素透镜的沉浸式头戴式显示装置。

图22是根据一个实施例的描述的光线路径的图表，该光学路径用于具有像素透镜的沉浸式头戴式显示装置。

具体实施方式

I. 概要

如上所述，本发明涉及一种头戴式显示装置，通过使用像素透镜为用户提供准直（或基本准直）的图像，所述像素透镜是可能是光学系统中单独的准直源，或在一些采用弧形的光反射面如FS/UWA/RO反射面的实施例中，像素透镜所提供的准直可以由弧形的光反射面所提供的准直结合。

通常而言，在某特定些实施例中，所述头戴式显示装置是直接置于用户眼部前方，带来沉浸式体验的装置。在其他实施例中，所述HMD包括一平面或曲面光束分光器，是用于反射增强现实的图像显示设备。如果需要，通过制作不发散的反射表面，所述反射实施例可以用于生产沉浸式的显示设备。

以下讨论从在所述HMD中采用像素透镜（第II部分）的实施例开始，接着讨论应用了曲面光反射面，所述HMD包括至少一个FS/UWA/RO表面（第III部分），第III部分也涉及用于一包括一像素透镜的光学系统的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上述曲面的光反射面（第IV部分），紧接着是没有采用光反射面，直接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像素透镜和图像显示系统的类型的描述适用于第 II 部分和第III 部分的实施例。

II. 像素透镜

如上所提及的，以下将进行更多细节的描述，所述像素透镜进行光的准直（或部分准直），所述光由一图像显示系统发射的光，从而允许所述系统的视图当位于用户眼部附近时避免引入实质体积或重量进所述HMD。每个像素具有一单独的透镜，减少所需的光学显示器的尺寸，并且消除由于用以单独大的镜面或透镜完成准直而导致的失真。特别是，所述像素透镜不会引起在图像中的由所述显示产生的宽角像差，因为他们在一个时间只处理一个像素。此外，可以提供一个大的像素透镜阵列给想要宽角视图的用户。特别是，在特定的实施例中，所述像素透镜技术允许显示屏的查看，例如用于移动电话显示的屏幕，及其接近装置但是向外延伸通过一发射表面。如果需要，每个像素透镜可以根据相关像素的位置变形，所述位置是相对用户的眼睛而言的。

图1是根据一个实施例的图像显示系统10以及它的祥光像素透镜阵列15的局部图。所述图像显示系统10包括一电脑输出或发射面25以及，在这个实施例中，还包括一图像投影组件40。所述表面25包括多个发光像素或一发光像素阵列（例如.，图2和图3的像素120）。所述图像显示系统10产生可被人眼获取的文字，图像或视频图像（下文等同于“图像”）。所述多个发光像素或发光像素阵列和图像投影组件40可以使用液晶显示（LCD）技术、发光二极管（LED）技术、有机发光二极管(OLED)技术、等离子技术、光纤技术或其他已知的或以发展的图像投影技术来制造。与所述图像显示系统10相关是在基片30上或里面的多个像素透镜或像素透镜阵列15。每个小尺寸的像素透镜15，例如，在微米（μm）范围内，并且被配置来对准单独图像显示系统的发光像素，从而来自像素传出的光是被校准的或部分校准的以促进由所述图像显示系统在一接近范围内形成图像的视图。

依据所述图像显示系统10的细节，所述系统通常包括多层，薄膜和/或具有过滤器，发射器等的基片，从而产生在所述系统的发光表面（所述系统屏幕）上的显示图像供用户查看。在一实施例中，每个发光像素是由像素控制信息，例如红、绿、蓝（RGB）数据对应一特定像素的颜色强度。所述图像显示系统10可以从一图像源（例如，图6的照相机540）接受RGB输入数据或其他图像信息。所述RGB数据驱动排或列的驱动回路或其他方法来控制像素显示以人眼可以观察到的图像。在一实施咧，所述图像显示系统可以包括一曲面显示屏。

在操作过程中，所述图像显示系统被建立以控制像素级的光。特别是，每个发光像素的强度可以根据视野和/或其相关像素透镜的位置独自变化。以这种方式，通过所述显示系统生成的图像，在视野附近可以具有基本统一的强度。

在一些实施例中，像素透镜的使用可以简化其他使用在所述头戴式显示装置的光学部件。例如，在一些实施例中，不再需要所述用于校准的透镜或镜面。所有剩余的光学部件随后将只与放出可穿过一合适区域的视图的校准像素光线有关，用以提供一需要的视图给所述用户，以防如果需要任何进一步的光学部件。在增强现实的情况下需要更多的光学部件，但在这个例子中，不需要提供准直，只是放出光线。在所有的例子中，减少了色彩失真，所述色彩失真将会引起从所述显示穿过的光通过一总体折射的透镜，所述折射的透镜处理在一个透镜中所有的像素，并且不会在一反射器中发生色彩失真。

图2和图3显示了一显示组件100的局部图，包括用于图像显示系统的用于每个像素120的像素透镜115。通过每次调整所述单个像素的准直，由所述显示组件100提供一组校准的或基本校准的光线，所述显示组件可以由不同光传送和/或反射装置操作，而不必调整屈光度或准直属性（或需要更少的调整屈光度或准直属性），因此去除在眼部附近的显示系统部件的构建。在眼部附近的显示系统可以安装在离眼部1、2或3英寸的位置，或由所述系统显示的图像将会由以表面反射，所述表面离眼部1、2或3英寸，下面将会详细描述。每个像素透镜115被构建用以提供一定量的准直校准，适于接近将支撑在眼部的所述显示组件100。所有像素透镜的聚集成为一像素透镜阵列，每个发光像素有一个透镜，当被作为一个阵列时，联合连接以形成一图像。所述阵列通常具有比图1-图3更多的像素透镜，例如成百上千或百万的像素透镜。

在图2和图3所示的具体实施例中，所述像素123由一基片125支撑。所述像素透镜115可以被支撑在一基片130上或形成在所述基片内部，从而使得光能够至少穿透支撑所述像素透镜115的区域。在一个实施例中，基片130和相应的像素透镜115被支撑在离基片125和像素120一固定距离的位置。在图2中，使用间隔器121用以获得在所述像素透镜和像素之间所需要的间隔。图3示出了一可选的实施例，其中基片130与基片125整合在一起并且足够厚用以提供所需要的像素120和像素透镜115的隔离。

尽管如图1-图3所示，所述显示组件可以是曲面的。例如，在直接观察一HMD的情况下，所述显示组件朝向用户眼部的方向是凹的。如另一个例子，在所述HMD采用一反射表面的情况下，所述显示组件可以是凸的，例如，圆柱形，朝向所述反射表面以散开所述独立的像素光线进入一更宽的阵列并且由此提供一更宽的视野。

当所述光通过一像素透镜115被充分准直，来自一像素120的光子辐射将传输到眼部，所述像素120的直径接近窄的笔状物的直径。这样减少了观看者在内部的光的偏离，使图像更加明亮，并且更容易看见来自图像显示系统的光或从外部世界传输进的光。具体的，在一采用像素透镜的头戴式显示装置的实施例中，所述眼部的滚动中心在关于给定的像素120的固定位置中，并且通过使用一像素透镜，所述像素120可以在一个方向上发光，满足眼部直接观看像素120或当眼部指向不同的方向，吸收像素的光的一部分提供更宽的视角的需要。以另一个角度来看，因为来自每个像素120的光是准直的或基本准直的，用于显示相同量的的光给用户的能源的需求量相对与不使用像素透镜的系统的情况下是减少的。在一不使用像素透镜的系统的情况下，所述像素产生的光分离在很多方向，所述光不会进入用户的眼部，并且，除非发散光被吸收，所述光会成为“杂光”干扰在所述头戴式显示装置的光学环境。因此，总而言之，所述光学透镜被配置用以聚集光进入一组准直的（或基本准直的）窄光线，减少发散光，并且由此不需要额外的能源供给一产生不需要的光发散。

在一些实施例中，不需要与眼部的固定关系，特别是所述像素透镜115被安装用以充分地准直来自所述发光像素的所述发散光，其中所述像素和像素透镜可以被放置在任何眼睛可以看到的地方。部分准直的系统可以通过一定量的像素从是眼部被置换，所述一定量的像素允许用户看到显示图像、文字、视频或其他基本聚集或没有聚集在用户眼部的图像信息。例如，通过具有在一有限距离上的图案，例如30米，相对于无限的距离，当查看图像时，眼部可以更加放松（更少的适应性）。

在一个实施例中，可以提供一电视风格的显示系统个给用户，用户可以观看好像来自一定距离的视频图像，因为所述光波被准直了，并且，例如，在一风景走路时不需要重新聚焦他或她的眼睛。所述电视显示系统可以被放置在任何用户视野内的地方，随后所述显示控制用户能够看到的事物并且该事物可以忽远忽近。在其他实施例中，如果所述显示系统被用于增强视觉显示系统，所述显示系统将被确定位置，用以使图像出现现实感，其中，所述增强现实系统是被设计用于让图像出现。

在一些实施例中，不会发生像现有装置那样的图像的非近轴失真，所述现有装置处理来自一显示器并穿过一适应所有像素的透镜构件的光。因为所述像素相对最小的显示早已离散化，所述最小的显示将会被呈现给用户，独自应用屈光度校准透镜（例如，一像素透镜115）给最小单位，避免任何非近轴失真和变形除非与透镜联系。同时，因为所述光是被准直过的，所述光的路径可简单的直接在镜面组件折射，由此所述镜面将不需要执行准直的功能。

在一个实施例中，每个像素透镜115的屈光度指示可以设置在一通常的级别。在其他实施例中，所述显示组件100可以以曲面的方式构建，每个像素透镜115的输出聚集用以反应一特定的方向当该输出接触到一镜面。单个像素透镜115的使用确切地响应于一个像素120，允许最小显示的创造，所述最小显示可以被放在眼部的右边并且可以被清晰的看到。所述像素透镜115直接作用于所述像素120用以校准每个像素120的屈光度。

图4示出了一具有较大聚散度的光线310，所述光线来自一像素315并且进入一像素透镜320，所述像素透镜的支撑基片130位于与该像素距离为D1的地方，其中所述距离D1是，例如，大约8微米。所述像素透镜320是具有一通常圆顶状的固体。换言之，该像素透镜320的出射表面是曲面的并且该入射表面必须是平的并且与所述基片130整合在一起。所述像素透镜320的平面侧具有一直径D2，其中D2是，例如，大约8微米。在这个实施例中，所述透镜320的曲面部分的曲率半径可以是，例如，5.45微米。从该曲面320离开后被准直的是光波325，适于人眼的近距离观看。在进一步的实施例中，从所述基片130到所述像素315的距离D1，以及所述透镜320和所述像素315的尺寸，可能根据相应的透镜的曲率被改变，用以提供想要的光的准直。所述像素透镜的曲率的直径可以通过不同的方法决定，一个方便的途径是使用一光学塑形程序，例如ZEMAX，并且调节该参数直到获得想要的准直级。

图5是根据本发明的一个实施例的，通过用可选的像素透镜420准直光线的图表。所述光线410在该距离上有一大的聚散度并且从一像素415发散进入一球体状的像素透镜420，所述像素透镜位于距离D3处，例如大约离所述像素415的距离为3.3微米。在这个例子中，所述透镜420的直径D4可以是，例如，大约8.7微米。离开该透镜420的是准直了的光波425，适于近距离观察。在一个实施例中的该显示组件是由例如像素阵列415和球体状透镜420制成的。该像素透镜420通常将是固体。这样的透镜在某些实施例中易于制造，例如，与基片整合在一起的单元。在一实施例中，透镜420具有一在中平面401的中心，该中心对准像素415，从而该透镜420是对称的放置在发射自该像素的光线410的路径上。这样球状的透镜的阵列可以形成，透镜一个挨着一个，每个透镜具有一中心C分别与一像素保持一致。作为图4的像素透镜，图5的像素透镜可以以不同的方式设计，一便利的途径是使用光软件程序并且诶变换一个或更多显示组建的参数，例如，相对于像素415的球状透镜的位置，直到获得想要的准直级。

图4和图5示出了像素透镜的两个例子，在进一步的一个实施例中，该透镜的参数可以有意义的变化，并且调整该像素的距离。该像素的密度和响应透镜可以被有意义的变换，这取决于想要的显示的分辨率。

所述像素透镜阵列可以用不同的方法制造，例如，通过使用不同的纳米级和微型制造技术。该透镜可以直接蚀刻一透明介质或创造纳米级的抛光机器。通过热模压的微复制工艺可以使用在某些实施咧。类似的方法包括微注塑成型，为微热模压，和纳米级刻印。薄膜技术可以使用在制造该透镜的一些实施例中。例如，在其他方法中该像素透镜可以由光学半导体沉积透明材料制成，该材料应用与使用在薄膜半导体技术。在进一步的实施例中，使用注塑成型。采用作为半导体直接光学和化学蚀刻。纳米级透镜抛光机可以用于创造每个透镜阵列。标准抛光规格可以应用在像素透镜的的组和/或独立的透镜。总而言之，该像素透镜可以使用与创造显示装置同样类型的制造工艺，例如，图像显示系统可以采用液晶显示技术（LCDS），发光二极管技术（LED）有机发光二极管(OLED)技术，或其他图像投影设备。使用这样的技术，透镜的密度可以调整用于想要的高清显示或低分分辨率显示。

在一实施例中，可以使用丙烯酸（树脂玻璃）塑料，该丙烯酸塑料用于金刚石的打磨。对于模塑部件，作为一个例子，使用丙烯酸或聚碳酸酯材料。通常而言，该小像素透镜可以由与制造菲涅尔透镜相同类型的材料制成。，同时具有相似的尺寸特征。

在如下所示的部分中，在不同的实施例中，一像素透镜的阵列和一发光像素的阵列的组合可以以一种方式被放进该头戴式显示装置，例如，眼镜，护目镜，或其他形式适于支撑显示装置固定在用户眼部的方式。

III.采用FS/UWA/RO反射面的头戴式显示装置

如上所提及的，头戴式显示装置，采用一种光反射面以及，特别是，一曲面光反射面，可以是，例如是一光学穿透式、增强现实的双目观测器类型。在这个实施例中，所述光学发射表面将作为一光束分光器，该光束分光器反射由图像显示系统形成的图像进入用户的视野，同时允许来自外部世界的光进入眼部。

在一实施例中，所述光束分光器系统具有一面对一外部环境的在光束分光器系统的映射。该映射被携带穿过该像素并且被制成与外部环境的高速率保持一致。因此，用户的头部的移动朝向一相对于该外部环境不同的方向，将会引起图像的生成并且被显示，从而正确的增加该外部环境，其中该图像正确地显示环境，通过点亮该在光束分光器系统的正确的反射位置。

相对于由像素透镜提供的屈光度移动，该显示系统的表面和曲率可以被操控，从而获得大约在所有方向上为0的屈光度，用于图像进入来自显示器的眼部。屈光度的数量在每个像素透镜中改变并且光束分光器透镜系统的反射器可以被调整用以适于支撑该头部显示设计。一平面反射器不会有屈光度改变，除非关于来自显示系统的屏幕，由于距离独自改变屈光度，例如，来自光源的距离越远，越少的光源效果被分散到并且诶因此距离可以独自改变从显示屏散发的光的有效屈光度。因此，从反射器到眼部和显示系统的距离可以被调整，用以优化头戴式显示装置显示的图像的清晰度。

参见图6和图7，这些图形分别显示，由用户505穿戴的一种头戴式显示装置500的侧视图和前视图。该头戴式显示装置采用一光反射面，例如，FS/UWA/RO表面520。

在一实施例中，头戴式显示装置500，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6和图7所示，头戴式显示装置500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510。在图6-7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。在图6中，元件550和555代表不同形式的支撑件，其中在一些实施例中，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。

如图6和7所示，所示头戴式显示装置500包括：（a）至少一个图像显示组件515，其中包括一图像显示系统和像素透镜阵列，以及（b）在一实施例中，一自由曲面、超宽视角的光反射面520，即，FS/UWA/RO反射面520，当然是弧形的。光反射面520可以是完全反射的或兼具反射特性和透射特性，不论哪种情形，都被看作是一种“光束分光器”。

光反射面520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）。光反射面520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520可以完全环绕一只眼睛或同时环绕两只眼睛，图像显示系统110也同样如是。特别是，光反射面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520可以延伸至180°或以上（例如大于200°）。如图7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710支撑的FS/UWA/RO反射面520R 和 520L，所述FS/UWA/RO反射面用于用户的两只眼睛，（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7所示，头戴式显示装置500可以包括一鼻骨梁支撑部件710。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710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515R和第一FS/UWA/RO反射面520R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515L和第二FS/UWA/RO反射面520L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710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。尽管上述描述了一种曲面光束分光器，一个鼻骨梁件可以与实施例使用，该实施例采用了非曲面（平面）光束分光器。

至少一个图像显示组件515可以被安装在FS/UWA/RO反射面520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。至少一个图像显示组件515，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520反射的显示信息部件的函数。在所述安装组件任意角度，所述像素光需要指向镜面，因为它是更紧的光束并且该偏离中心轴的光束的能源将会是低的。

在一些实施例中，头戴式显示装置500设有一内腔，FS/UWA/RO反射面的反射面朝向内腔。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525用于控制由至少一个图像显示组件515显示的图像。在一个实施例中，电子组件525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组件515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500之间的传递通过一传输电缆530耦合至电子组件525或通过无线媒介来提供。

一组摄像机540位于头戴式显示装置500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540可能被耦合至电子组件525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。

在操作中，该电子组件525，包括加速度计和/或陀螺仪，以及可选的，还包括一全球定位系统（GPS）单元，可以提供位置，方向和位置信息，用以同步至少一个显示组件515的用户运动。通过该电子组件525使用的信息用以注册，其中，该装置的框架510在物理上是真实的并且添加在外部景象的图像。在一些实施例中，来自摄像机540的反馈通过电子组件525被使用，用以使显示的图像与现实看到的景象同步。这可以通过与地形保持一致来调整，或具体化目标位置，发生在由摄像机540提供的储存的地形和相对于该储存地形而言已知的显示的图像的位置。一旦地形保持一致，该图像可以被放置在该显示屏幕上，从而他们被包括意向呈现在真实地形中的视图。

如上所述，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技术器（LCDS），发光二极管技术显示器（LED） 和/或有机发光二极管(OLED)技术，包括等离子技术柔性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。

根据本发明所公开的内容而构建一个光学系统的示例性实施例，尤其是一用于“增强现实”的头戴式显示装置的光学系统，的整体操作，通过图6所示的光线轨迹进行说明，具体是，光线560、565和570。在这个实施例中，FS/UWA/RO反射面520既有反射特性又有透射特性。利用FS/UWA/RO反射面520的透射特性，光线570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520的同一区域，光线560被FS/UWA/RO反射面反射（利用表面的反射特性）并加入光线570产生混合的光线565，该光线进入用户眼睛当用户看向点580的方向时，即，当用户的注视方向为点580的方向时。然而，这样看时，用户的周边视力允许用户再一次利用表面的透射特性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520。尤其是，用户的周边视力允许用户看到离点580纵向及横向距离更远的光线，所述光线穿过光束分光器透镜系统520。

如图8所示，其中，附图标记与图5、6、7中的相似元件相同，该视觉系统由三个部分组成，显示组件515、光束分光器透镜系统520，和眼部810。关于显示组件，光束分光器透镜系统用作反射器。该眼部810具有一内部透镜820。该光线560从在显示组件的至少一个显示系统上的像素发射并且通过该组件的关联像素透镜进行准直（或部分准直）。该光线560将会在眼部的视网膜呈现一个点，在通过光束分光器透镜系统520反射后，并且被示为光线565和830。术语光线在这里是指从光源发射的光的波阵面，并且在发射器到检测器的之间采用最短的光学路径，在这个例子中检测器是指视网膜。然而眼部看到的是在矢量840和850的距离的空间中产生的虚拟图像。对于在无限远的点860上的的距离是矢量840和850的总和。该镜面/光束分光器透镜系统520在这里呈现的是曲面，但也可以是平的。如果该镜面是曲面的那由镜面提供的屈光度校准必须减少由该像素透镜提供的屈光度校准，以使眼部关注到图像。

在图9中示出了一分离的光波阵面的光线从显示组件905的像素发射，该光线在离开该组件前被准直并且呈现0（零）屈光度光线910用以反射镜面或光束分光器915。在此点上没有或只有非常少的发散并且在反射光线920上也是。该光线可以直接进入一眼部930并且诶会被聚焦在此点上。在这里所示的实施例，该反射光线920被反射回来，该反射镜面或光束分光器915传输朝向眼部的瞳孔。等同于光线从一必要的无限远的距离通过线925来呈现，并且该光波阵面是平面的，导致一平行面法相垂直于光波阵面，显示为反射光线920，穿越眼部930的瞳孔的入口。

图10示出了准直后的平行反射光线920通过瞳孔1005进入该眼部930，并且被在视网膜1015的凹部上聚集一个点1010，该凹部是最敏锐的视觉发生的地方。周围具有更宽范围的视网膜具有较低的敏锐度。同样从该方向进入眼部的的光来自于一外部环境的光与由准直的像素发射光提供的增强图像的结合。

如上面所讨论的，用于采用光反射面的头戴式显示装置的现有的光学系统一直是瞳孔成形的，因而限制了可见区域，一般地视场在大约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11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11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，大约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11，这个图是俯视看到的用户头部200的前方的简化图像。示出了放置于用户的眼睛203、204的前方的FS/UWA/RO反射面201和202。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上与用户头部200的前中心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11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大约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，如视准线210,211及 212,213所示。 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，当持续观看计算机生成的影像时，用户自由移动他的/她的眼睛绕着旋转中心215和216。

在图11及图18中，为了表示的方便，FS/UWA/ RO反射面采用球形的一部分来表示。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以及局部的曲率半径将提供期望的静态和动态视场以及到虚像的期望的距离。另外，在图11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11至图18并没有示出在至少一个图像显示系统和光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12和图13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12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，具有大约168°的角度范围。注意的是为了表示的方便，在图12至图13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，大约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13示意性地示出图12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反射面既是一“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。（在反射面上预先设定的位置）。

例如，在图13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12和图13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13，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13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。当然，虚像的视敏度将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。

在图13中，如果头戴式显示装置的设计者将正方形的虚像放置在靠右的位置而将三角形的虚像放置在靠左的位置，将会使得一些注视方向上仅有正方形的虚像是可见的，而其他注视方向上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。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）的名义于2011年8月17日申请的共同受让的及未决的美国专利申请13/211，389，名称为“用于创建自由曲面光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）的名义于2011年8月11日申请的共同受让的及未决的美国专利申请13/211，372，名称为“采用一个或多个光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14和图16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14所示为一图像显示系统的发光面1510包括一常见的像素的矩形阵列，其在光束1515的方向朝向头戴式显示装置的前方发射光线。光束1515从光反射面1520反射，其为了表示的方便，在图14中显示为平面的光反射面。反射后，光束1515变为光束1525，进入用户的眼睛1530。

为了确定用于每个像素的反射器的曲面法线，对应光束1515和1525，必须确定向量的三维等分线。在图14中，这个等分向量以二维形式的线1535示出。等分向量1535在反射点1540处垂直于光反射面，那个是反射面1520上的位置，在这里发光面1510的像素1545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1510的像素1545发射光束1515，其从光反射面1520反射以一个角度，由曲面法线及等分向量1535和它的垂直平面1550确定，服从费马和希罗原理，一反射像素在反射点1540由眼睛1530沿着光束1525看见。为了精确地计算曲面法线在反射点1540，光束1525可以通过大约是用户眼睛1530的中心1555。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12和图13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1515的方向

q2 =光束1525的方向

及

q3 =需要的曲面法线1535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，在光反射面感兴趣区域的中心，及在光反射面在点M的垂直于切平面的方向。光反射面在点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15所示为几何图，其中等分线位于两个长向量中间。

当然，前述事项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。

为了帮助介绍，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需要的虚像。

为了确保用户可以容易聚焦在至少一个发光面的“需要的部分”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16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1540，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16，两个像素反射点1540和1610被标示涉及两个像素1545及1615.各自在显示面1510.曲面法线在点1540及1610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1540和点1610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1515和1620的长度的平均的一半。 在这种方式下，可以提供零或接近零屈光度的光给用户的眼部。如上所提及的，这等同于光来自与一无穷远的点，并且所述光波阵面是平的，导致一平行表面法向垂直于所述光的波阵面。

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18是一FS/UWA RO表面1520的二维图示。如上面讨论的，表面1520可能被构造以便在点1710和1720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，其被光反射面反射。这样，在一定的方向图示为1730线的方向将提供一准直的（或近似准直的）虚像给眼睛1730，当从不同的方向图示为线1740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：确定一需要的视场，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，向着光反射面倾斜，允许光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，可以创建光反射面的三维示例或数学模型表示，及，如上所述，光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。

在使用过程中，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。

IV. 采用非曲面光反射表面的HMD

图19是一可选的头戴式显示装置600，所诉头戴式显示装置600可以是一副增强现实的双目观测器。所述头戴式显示装置600包括一视觉元件610适于在一佩戴605的脸部投影和发光。该视觉元件610被配置用于支撑至少一个显示组件615在用户605的眼部上。例如，相对水平而言，在至少一个显示组件615被水平地配置或存在一微小的角度。在该至少一个显示组件615具有一像素透镜对应每个在该组件中的发光像素。该头戴式显示装置600进一步包括了一平面光束分光器系统620面向相对于垂直平面据具有一非常小的角度，用以反射准直或基本准直的光，该光从至少一个显示组件615传输到用户605的眼部。该头戴式显示装置600提供用于近距离观看和宽广视角。在该实施例中的至少一个显示组件615尺寸可能比其他实施例中的该组件的尺寸更大，用以提供一宽广的视野，因为在本实施例中没有在光束分光器620中的光学曲率。

一电子组件625被提供用于控制由至少显示的图像。电子组件625可以包括加速度计和陀螺仪用于对用户的定位。可以通过一传输电缆630或无线媒介提供给该头戴式安装显示组件能源和视频信号，其中，该电子组件提供一收发器和有线接口。

一组摄像机640位于HMD的两个对边用于向具有功能的组件提供输入，例如电子组件625上执行的软件或固件模块来控制电脑生成增强现实的场景。。元件650、655、656，和657代表不同形式的支架用于支撑该装置600在一相对于该眼部的想要的位置，例如可以调整进该实施例的带和绳子。

图19示出的操作本系统的光线660，665，以及670。如图所示，光线670从一环境通过平面光束分光器透镜系统620的外部表面进入，与一光束结合，该光束来自至少一个显示组件615，该光束达到平面光束透镜系统620的平面，用以创造结合的光线665，当用户观看点680所在的方向时该光线进入用户的视野。用户的外围视觉能力也允许用户看到稍后更远距离的并且在点680周围垂直的光，穿过该分光器系统620的的表面。该至少一个显示组件615可以被制作用以弯曲成曲面，圆柱面的方式以允许光学系统的该像素和光束分光器系统620的光更好的通过。

V. 直视式头戴式显示装置

除了上面的应用，一像素透镜也可以被用于一不设有介入的光反射面的图像显示系统的直视。这样一种设置将是沉浸式的，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。通过使用一像素透镜，可以实现在一紧凑空间内映射显示器的图像进入宽视场。

通过使用该像素透镜，该用户可以看到从一定距离产生的图像，允许该用户的眼睛能轻易地注视它。同样，用该途径可以获得一最大的非失真的视图。在至少一个显示组件本身内进行改光线的准直，从而不需要更多的准直。用户直接在一近距离观看屏幕，并且可以制造至少一个大的显示装置用以允许预期的视图。该透镜像素允许该显示系统的视图，即使该像素透镜被定位接近眼部。

图20示出了一用户1105佩戴一头戴式显示装置1100。所述头戴式显示装置1100可以是一对浸入式双目观测器1110。该观察器1110可以采用与眼镜或护目镜相似的形式，支撑至少一个显示组件1115，该组件具有一像素透镜对应于每个在该组件中的发光像素透镜。该至少一个显示组件1115直接定位在用户的视野中并且调整为靠近带有像素透镜的视图。该至少一个显示组件1115安装在护目镜或眼镜的表面，直接在用户眼部的前方使用，例如，支撑件1120，并且必要地向着垂直方向，从而该像素发散光直接在该用户眼部的方向得到一沉浸式的虚拟世界的体验。 

一电子组件1125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1110的电能和视频可以被提供通过一传输电缆1130或无线媒介。一组摄像机1172位于HMD的两边，并由框架支撑，用以提供输入给一软件包，例如，一软件包是电子组件1125的一部分，用以帮助电脑产生的沉浸是显示场景的控制。

如图21所示，其中，附图标记与图20中的类似的元件的标记相同，该实施例视觉系统由两部分成：（a）至少一个显示组件1115和（b）眼部810，其中，还具有一内部透镜820。从显示组件1115的像素发射的光，通过关联于像素透镜的像素呈现在565上。在穿过眼部的透镜820后，该光将在用户的视网膜上呈现一个点。然而眼部看到的是一虚拟图像，该图像出现在眼部空间的前方，通过矢量840和850以一定距离呈现。在该呈现中该至少一个显示组件1115示出为一平面，但是可以是曲面或平面的。

图22是一光线图表，示出了从一头戴式显示装置进入眼部930的光线。该光线显示出了具有曲面布置的显示组件1115的发散。特别的，从显示组件1115的外部表面1120的三个部分示出发散的光。所有来自该三个部分的管状的光线，例如1220是准直的并且可以被看到以及由眼部930聚焦到在视网膜1015上的点1010。

VI.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用户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用户的鼻子重叠。

(5) 在一些实施例中，光反射面（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，显示器和光反射面（当使用时）的距离及光反射面（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格（MTF）。

(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，这里公开的光反射面(例如，FS/UWA/ RO面)可以采用已知的或随后开发的各种技术和材料来制造，例如大批量地制造。例如，光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。

如前所述，可以看出在不同的实施例中，提供了一种在类似太阳镜的头戴式显示装置中的高分辨率和宽广视场（广角）的显示器。宽广的视场例如能够通过更大的和/或更多的显示器制成任何想要的角度。所显示的图像能够覆盖在所看到的环境的物理实相。使用像素透镜允许用户的眼部在注视在远处的景物时候，眼部接近头戴式显示装置的屏幕，并且显示器上的图像看上去就像在远处一样。所述头戴式显示装置构建并保持着图像显示系统、像素透镜和用户的眼部之间的固定关系。像素强度可以根据图像显示系统到用户的眼部的距离来个别控制或者对于采用光束分光的实施例来说，根据图像显示系统到光束分光器的距离、光束分光器的曲率以及光束分光器到用户的眼部的距离来个别控制。

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
光反射面尺寸	例如，不超过头部宽度的二分之一	mm	30	78
					光反射面的数量		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	最大角模糊	弧分RMS模糊直径	1	10
						分辨率的线条的估计数量	在中央凹处的线条/mm	20	140
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 (21)

1.一种头戴式显示装置包括，

1) 适于安装在用户头部上的框架；

2)一具有发光表面的图像显示系统，其中包括一发光像素阵列，所述图像显示系统由所述框架支撑；以及

3)由所述框架支撑的光反射面，其特征在于：

a) 所述装置包括位于所述发光像素阵列和光反射面之间的像素透镜阵列， 每个发光像素对应一个像素透镜， 在使用所述装置期间，所述像素透镜对准并接受来自它的相应的发光像素的光；以及

b) 在使用所述装置期间，所述像素阵列可以独自或与光反射面一起准直或基本准直自所述发光像素阵列发射的光。

2.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述光反射面是平面，并且，在使用所述装置期间，所述像素透镜阵列独自准直或基本准直自所述发光像素阵列发射的光。

3.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述光反射面是曲面，并且，在使用所述装置期间，所述像素透镜阵列和所述光反射面一起准直或基本准直来自所述发光像素阵列发射的光。

4.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述光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。

5.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述图像显示系统和发光像素阵列形成一显示组件，所述的显示组件的弯曲的中凸部分朝向所述光反射面。

6.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于：在使用所述装置期间，

1）所述光反射面和所述像素透镜阵列产生所述发光面的空间上分离的部分的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；以及

2）所述光反射面上至少一点与所述光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。

7.如权利要求6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；以及

所述光反射面上至少一点与所述光反射面上至少另一点的夹角至少为150度。

8.如权利要求6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；以及

所述光反射面上至少一点与所述光反射面上至少另一点的夹角至少为200度。

9.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述光反射面是半透明的。

10.一种头戴式显示装置包括，

1) 适于安装在用户头部上的框架；

2)一具有发光表面的图像显示系统，其中，所述发光表面包括一发光像素阵列，所述图像显示系统由所述框架支撑；以及

3）由所述框架支撑的一自由曲面、超宽视角的光反射面；

其特征在于：

a) 所述装置包括位于所述发光像素阵列和所述自由曲面、超宽视角的光反射面之间的像素透镜阵列， 每个发光像素对应一个像素透镜， 在使用所述装置期间，所述像素透镜对准并接受来自它的相应的发光像素的光；以及

b）在使用所述装置期间，所述自由曲面、超宽视角的光反射面与像素透镜阵列产生所述发光面的空间上分离的部分的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。

11.如权利要求10所述的头戴式显示装置，其特征在于，在使用所述装置期间，所述像素透镜阵列与所述自由曲面、超宽视角的光反射面一起准直或基本准直自所述发光像素阵列发射的光。

12.如权利要求10所述的头戴式显示装置，其特征在于，在使用所述装置期间，所述像素透镜阵列单独准直或基本准直自所述发光像素阵列发射的光。

13.如权利要求10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。

14.如权利要求10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。

15.如权利要求10所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述自由曲面、超宽视角的光反射面是半透明的。

16.一种头戴式显示装置包括，

1) 适于安装在用户头部上的框架；以及

2)一由所述框架支撑的显示组件，所述显示组件包括：

a) 一具有发光表面的图像显示系统，其中，所述发光表面包括一发光像素阵列, 以及

b) 一像素透镜阵列，每个发光像素对应一个像素透镜， 在使用所述装置期间，所述像素透镜对准并接受来自它的相应的发光像素的光；

其特征在于，在使用所述装置期间，所述像素透镜阵列是所述装置的唯一在发光表面和和用户视野之间具有光学性能的部件。

17.如权利要求16所述的头戴式显示装置，其特征在于，在使用所述装置时，具有一面向用户的弧形表面。

18.一种头戴式显示装置包括，

1) 适于安装在用户头部上的框架；以及

2) 一由所述框架支撑的图像显示系统；

其特征在于：

（a）所述图像显示系统包括一包含发光像素的发光表面；

（b）所述装置包括球体状的像素透镜，每个发光像素对应一个球体状的像素透镜，在使用所述装置时，所述球体状的像素透镜位于发光像素阵列和用户眼部之间。

19.一方法包括如下步骤：

通过一具有发光表面的图像显示系统产生图像，所述发光表面包括发光像素阵列；

通过分别将像素透镜阵列上各自的像素透镜对准发光像素阵列，独自准直或基本准直来自发光像素阵列上的每个发光像素的光；

所述准直或基本准直后的来自发光像素阵列的光提供至与用户的眼睛相对的反射器位置；以及

将所述准直或基本准直后的光从反射器处反射至用户的眼睛。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述反射器包括一光束分光器并且所述方法进一步包括了使外部光通过所述反射器，以提供所述反射器外部的环境的景象。

21.一方法包括如下步骤：

（a） 产生来自于所述发光像素阵列的光；

（b）在一像素透镜阵列的位置接收由所述发光像素阵列所产生的光，，通过所述像素透镜阵列中相应的像素透镜准直或基本准直所述发光像素阵列所发出的光，并且

（c）直接所述准直或基本准直后的光提供给用户的眼睛。

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