CN105209952A - 具有非瞳孔成形光路的头戴式显示器 - Google Patents

Abstract

一种头戴式显示装置，包括结构框架，该结构框架通常沿着X轴和Y轴布置，以沿着Z轴观察时，X轴、Y轴和Z轴相互垂直。微显示器与结构框架耦接，并配置为沿着Z轴远离用户在基本上向前的方向上投射视觉内容。一组的一个或多个具有反射光学表面的光学元件与结构框架耦接，并分别定位在微显示器的前侧上，以将非瞳孔成形光路上的光线束从微显示器反射性地引导至用户的眼睛，以对用户的眼睛提供图像，使得进入用户眼睛的光线束的光线基本上平行，以使当用户的瞳孔处于不同位置时图像对于用户都是可见的。

Description

具有非瞳孔成形光路的头戴式显示器

背景技术

头戴式显示器(HMD)装置用于显示和观看来自视觉显示源的视觉内容。HMD装置配置为穿戴在用户的头部上。HMD装置通常具有(1)单个位于用户的一只眼睛前面的小型显示镜片(单眼HMD)，或(2)两个小型显示镜片，每个均位于用户的两只眼睛中的一只眼睛的前面(双眼HMD)，用于使单个用户观看较宽范围的视觉显示内容。双眼HMD允许用户可能可以观看三维视觉内容。目前在当今的军用、商业和消费者市场上发现的HMD装置主要是护目镜(goggles)/目镜(eyeglasses)类型的装置，其以一对护目镜的方式穿戴或穿戴目镜，或者其是附接至穿戴在用户头部上的头盔的头盔式安装的装置。另外，目前在当今的市场上发现的HMD装置主要依赖于三种不同的技术，因此通常分为三个不同的类别：折射型；衍射型；和激光显示器。

目前市场上发现的第一种类型的HMD装置是折射型HMD。折射型HMD使用折射的光学物理原理，以将来自视觉显示源的视觉内容的投影传递至用户的眼睛。折射型HMD是通过将来自显示源的视觉内容的投影通过透光介质(通常是透明塑料，例如丙烯酸塑料)传递来工作内容的，以对用户的眼睛产生最终合成的且通常放大的图像。透光介质本质上是一个镜片或一连串镜片，当来自视觉源的光波进入和离开透光介质时，所述镜片弯转并放大该光波，以形成放大的合成图像，与放大镜的操作类似。这是当今市场上大多数HMD使用的主流技术。

虽然折射型HMD可能是HMD市场上使用的主流方法，但是其具有几个缺点。这种折射型HMD的问题在于，由于透光介质通常是位于HMD的光路中的重的塑料的大块，所以此类型的HMD非常重、体积大，且对于用户来说穿戴在他的头部或面部上都很笨重。这限制了穿戴这种HMD的用户的整体舒适性。另外，这种对于用户的庞大配件明显限制了可应用于这种装置的款式。而且，因为折射型HMD的折射镜片通常位于用户的直接视野中，所以，产生给予用户适当的“透过视觉”的折射型HMD，或者，产生能够在看到所投射的视觉内容时，同时清楚地通过投射内容而看到周围环境外部的真实世界(“混合现实”观看)的能力，这变得非常复杂。折射型HMD的另一缺点是，其通常会阻止用户看到除了所投射的视觉内容以外的任何内容，或者严格限制用户的外周视觉，这最终会使用户感到幽闭恐怖。折射型HMD的另一缺点是，对于通常在消费者市场或商业市场发现的那些折射型HMD来说，其具有非常有限的视野(FOV)角度，典型的FOV是大约25度，高档FOV是大约40度。当试图增加通常在消费者市场和商业市场上发现的折射型HMD的FOV使其超过典型的25度的FOV时，该装置的成本和重量会急剧增加，这在两个已经竞争的市场上会是明显的抑制因素。此情况在军用市场上(具有40度和120度之间的FOV的折射型HMD普遍得多)很明显，然而如前所述，其非常重且非常贵。

目前市场上发现的第二种类型的HMD装置是衍射型HMD，或更准确地说，混合折射/衍射型HMD。衍射型HMD使用衍射、衍射光栅和折射的光学物理原理，以将视觉内容的投影从视觉显示源传递至用户的眼睛。通过此类型的HMD，使视觉内容的投影通过透光介质和包含在一个折射透光介质元件内的衍射光栅，对用户的眼睛产生最终合成且通常放大的图像。来自所投射的视觉内容的通过透光介质的光波，最终通过衍射光栅或从衍射光栅反射，该衍射光栅用来对用户提供单个合成图像。这种混合HMD系统的多个缺点包括笨重、需要高功率光源，以及视野有限。这些都限制了其对军用和工业应用的用途，以及其对消费者应用的吸引力。

目前市场上发现的第三种类型的HMD装置是激光显示器(laser-writer)HMD。激光显示器HMD使用远程激光引擎，通常包括三个一组的红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器，以及一组折弯激光并按照输入视觉显示信号将激光波送至合成视觉图像中的激光显示器。通过合成光缆将激光器和激光显示器与头戴式显示单元连接，以将图像传递至头戴式单元。然后，将图像从合成光缆投射到最终观看屏幕上，通常是HMD单元中的透明镜片，用于由用户观看。此类型的HMD的一个缺点是，用于这种系统的合成光缆非常贵。这种HMD系统的另一负面因素是，当图像从光缆出来时，头戴式单元将仍需要一些类型的折射镜片来放大图像，其导致有限的FOV并增加头戴式单元的重量。而且，当使用这种系统来观看3D的视觉内容时，与激光显示器HMD相关的另一负面因素变得明显。为此，HMD系统通常将在单条光缆上同时向头戴式单元波送两个不同的图像，从而头戴式单元将包含分束器，以对每只眼睛区分这两个图像，或者，HMD系统将使用与第一激光系统同时工作的第二激光系统，以产生用来传递3D视觉内容的第二图像。在任何一种情况中，这都会变得非常贵。激光显示器HMD装置的一个额外负面因素是，运行这种装置的能耗非常高。最后，如果不注意观察光缆的最小弯曲半径，那么，将图像经由光缆传递至头戴式单元可能是有问题的。如果将电缆以过紧的半径弯曲，那么这将导致明显的信号损失。

当前可用的以上三种类型的HMD系统都不能从单个这样的装置提供放大的合成视觉内容以供用户观看，该装置同时是便宜的、轻量的、舒适的且可认为是靠近眼睛的HMD装置。因此，由于目前可用的这三种类型的系统的缺点和问题的原因，行业中需要有一种新的类型的HMD装置，该HMD装置是相当便宜的、轻量的、小型的且是一种靠近眼睛的装置。

如上所述，在当今可用的HMD装置中，光路通常包括低效的、重的和/或体积大的折射镜片。在增强现实系统中，光学透视头戴式显示器(OST-HMD)已经是一种基本的用于将计算机产生的虚拟场景与真实世界场景的景色相组合的媒介物。通常，通过使用光学组合器，OST-HMD保持物理世界的直视，并在光学上将计算机产生的图像叠加在真实场景上。与通过照相机捕捉真实世界景色的视频透视方法相比，OST-HMD具有给真实世界场景带来最小破坏或提供更准确的观看的优点。因此，OST-HMD对于不限制真实世界观看很重要的应用场合来说是优选的。

设计具有宽FOV、低F数(其在镜片中也叫做焦比，是焦距与入射光瞳(entrancepupil，前透光孔)的直径的比例)、小型的且非侵入性的OST-HMD已经是一个巨大挑战。设计这种OST-HMD已经特别难以通过非瞳孔成形系统来实现，其中，来自图像的进入眼睛的光线是基本上平行的，因此，眼睛不需要位于特殊位置来看到由光线形成的图像。这种非瞳孔成形系统与光线会聚至空间中的定点的瞳孔成形系统相反，如果将眼睛定位在此点的前面或后面，那么图像将不能被看见。当今可用的HMD的典型的目镜结构使用旋转对称的部件，其实现低F数、大的眼睛间隙和宽FOV的能力是有限的。已经研究了许多种实现满足以上非常理想的特性的HMD光学系统的方法。这些方法包括：应用兼反射光及折射光的技术(包括折射镜片和反射镜片的技术)；引入新元件，例如非球面、全息光学部件，以及衍射光学部件；探索新设计原理，例如使用投射光学系统来替换传统HMD设计中的目镜或显微镜类型的透镜系统；以及引入倾斜和偏心，或甚至自由曲面(FFS)。(例如，见H.Hoshi等人的“由没有旋转对称性的非球面组成的轴偏移HMD光学系统(Off-axialHMDopticalsystemconsistingofasphericalsurfaceswithoutrotationalsymmetry)”，SPIE第2653，234卷(1996)；以及S.Yamazaki等人的“具有自由曲面棱镜和应用的薄宽视野HMD(Thinwide-field-of-viewHMDwithfree-form-surfaceprismandapplications)”，Proc.SPIE，第3639，453(1999)卷)。

在上述不同的方法中，自由曲面展示了设计小型HMD系统中的重要前景。然而，对设计提供宽FOV、低F数和足够的眼睛间隙的基于自由曲面棱镜的OST-HMD来说，是具有挑战性的。已经进行了许多尝试来设计使用FFS的HMD，特别是在基于楔形棱镜的设计中(见美国专利号第5,699,194号；第5,701,202号；第5,706,136号；以及D.Cheng等人的“具有自由曲面棱镜的轻量且宽视野的HMD系统的设计(Designofalightweightandwidefield-of-viewHMDsystemwithfreeformsurfaceprism)”，红外和激光工程(InfraredandLaserEngineering)，第36卷，3(2007))。例如，Hoshi等人提出了提供34°的FOV和15mm的厚度的FFS棱镜。Yamazaki等人描述了一种51°的OST-HMD设计，其由FFS棱镜和附接至FFS棱镜的辅助镜片组成。最近以来，Cakmakci等人设计了一种20°的HMD系统，其具有一个基于合理径向基本功能和衍射镜片的自由曲面反射表面(“对旋转非对称光学表面设计和分析的最佳局部形状描述(Optimallocalshapedescriptionforrotationallynon-symmetricopticalsurfacedesignandanalysis)”，Opt.Express16,1583-1589(2008))。还有几种商业上可获得的基于FFS棱镜概念的HMD产品。例如，奥林巴斯发布了其Eye-Trek系列的基于自由曲面棱镜的HMD。Emagin的Z800带有光学模块WFO5。Daeyang具有i-VisorFX系列(GEOMC模块，A3棱镜)的产品。RockwellCollins发布了使用OEM显示光学系统的棱镜技术的ProViewSL40。

目前的基于FFS的设计具有通常在4mm至8mm的范围内的出瞳直径，通常具有大约40度或更小的FOV。在最近的设计中，采用更小的微显示器，通常大约0.6”，其使用大约21mm的焦距来达到40度的FOV。减小的焦距使得设计具有大出瞳或在光学系统中具有虚拟孔的系统非常有挑战性。结果，大多数设计对出瞳直径妥协了。因此，商业上可获得的产品将出瞳直径平均减小至处于大约3mm至大约5mm的范围内，以保持F数大于4。有几种通过引入额外的自由曲面元件或衍射光学元件来实现更大的出瞳的设计。例如，Droessler和Fritz描述了通过使用两个额外的偏心透镜并应用一个衍射表面而具有低至1.7的F数的高亮度OST-HMD系统设计(美国专利号第6,147,807号)。目前在光学和HMD的领域中的工作表明，非常难以设计一种具有低F数(表示高放大比)和宽FOV的HMD。

因此，在光学透视头戴式显示器的领域中，提供具有宽FOV和低F数的同时，也提供小型的、轻量的和非侵入性的形状因素的头戴式显示器将是一个进步。

光学部件的结构支撑

HMD的光路由多种被保持精确校直的光学元件限定。问题是如何没有过度重量和体积但还保持光路的精确校直。一些光学系统尝试通过将所有光学表面集成在单个单片元件中来完成光学校直，其将该系统的折射镜片和反射镜片组合在单个光学元件中。这通常使用与具有低内反射损耗的棱镜镜片结合的透镜表面来进行。这些系统重且体积大，并具有额外的制造和装配复杂性。其他光学方法使用单独的光学元件，其必须径向地和纵向地精确校直。另一种方法使用光波导件，例如光纤或矩形波导件，来尝试并控制校直误差，该方法最终提供非常小的FOV。

一种实用的HMD需要小且轻以使用户舒适，和一对眼镜一样。大多数眼镜架柔软且不提供适合于HMD的精确校直。所需要的是一种轻量的眼镜结构，其能够对光路提供精确校直，而并不影响光学元件的支撑或校直地适应多种工业设计。

微显示机构

HMD包括显示器和用户的眼镜之间的光路。眼睛舒适性和易用性是所有HMD最主要关注的方面。光路及其多种设计参数是实现眼睛舒适性的一个方面。然而，除了光学元件本身以外，有许多影响眼睛舒适性的因素。人的因素是合适的HMD设计中非常关注的。人的眼睛在人与人之间有很大程度的不同，甚至在同一个人中，两个眼睛之间也有变化。这使得希望对HMD进行额外的调节，以便于获得最大的眼睛舒适性。两个关注点是，对不同的用户适应不同的焦点，或眼睛焦点，以及不同的瞳孔间距离，或用户的两只眼睛的瞳孔的中心之间的距离。因此，在HMD系统中需要有前后和横向进行光学调节的能力，以将用户间的单独的眼睛焦距和瞳孔间距离的差异考虑在内。典型的现有调节趋向于非常笨重。所需要的是一种非常小型且轻的可装入轻量HMD中的聚焦机构。

HMD结构和装配过程

在其他功能中，HMD在微显示器和用户的眼睛之间限定光路。光学部件应相对于彼此精确地对齐，以对用户提供可接受的图像。同时，产生的HMD应是小型的且轻的，以对于用户来说是可接受的。该设计还应能够承受物理冲击而不对光学部件的校直造成产生不利影响。

附图说明

图1是穿戴主要基于反射的头戴式显示装置的双眼实施例的用户的透视图。

图2是主要基于反射的头戴式显示装置的实施例的侧视图。

图3是使用五个反射光学表面的主要基于反射的头戴式显示装置的双眼实施例的透视剖视图。

图3A是主要基于反射的头戴式显示装置的双眼实施例的透视剖视图，示出了五反射器系统中从发光视觉源到用户的眼睛的反射路径的实施例。

图4是主要基于反射的头戴式显示装置的实施例的后透视图。

图5是使用三个反射光学表面的主要基于反射的头戴式显示装置的替代双眼实施例的透视图。

图6是主要基于反射的头戴式显示装置的双眼实施例的透视剖视图，示出了三反射器系统中从发光视觉源到用户的眼睛的光反射路径的实施例。

图7是五反射器头戴式显示装置中的反射光学表面的实施例的侧示意图，示出了从发光视觉源到用户的眼睛的光反射路径的实施例。

图8是三反射器头戴式显示装置中的反射光学表面的实施例的侧示意图，示出了从发光视觉源到用户的眼睛的光反射路径的实施例。

图9A至图9C是一系列与可调节传输损耗层的实施例连通的最后反射光学表面的实施例的透视分解图，其中，在图9A至图9C的每张图中，可调节传输损耗层具有增加的暗度或不透明级别。

图10是根据一个实施例的示例性头戴式显示器的前等距视图。

图11是根据一个实施例的示例性头戴式显示器的后视图。

图12是根据一个实施例的示例性头戴式显示器的平面图或顶视图。

图13是根据一个实施例的示例性头戴式显示器的侧视图。

图14是根据一个实施例的头戴式显示器中的示例性光线描迹图的示意图。

图15是在根据一个实施例的头戴式显示器中使用的示例性光路的示意图。

图16是在根据一个实施例的头戴式显示器中使用的示例性结构框架的后等距视图。

图17是在根据一个实施例的头戴式显示器中使用的两个示例性复合透镜元件的后等距视图。

图18A是根据一个实施例的装配至支架的微显示器保持件的分解等距视图。

图18B是根据一个实施例的微显示器机构的装配的分解等距视图。

图18C是根据一个实施例的微显示器运动机构的等距视图。

图18D是根据一个实施例，描绘了X齿轮对微显示器保持件的作用的微显示器机构的后视图。

图18E是根据一个实施例，描绘了内部机械约束的微显示器机构的等距视图。

图18F是根据一个实施例，描绘了Z齿轮对微显示器保持件的作用的微显示器的侧视图。

图19是用于装配根据一个实施例的头戴式显示器的示例性过程的流程图图示。

图20是用于装配根据一个实施例的头戴式显示器的外框架的示例性过程的等距图示。

图21是根据一个实施例的用于将光学部件装配至头戴式显示器的结构框架的示例性过程的等距图示。

图22是根据一个实施例的用于装配头戴式显示器的示例性过程的等距图示。

图23是根据一个实施例的结构框架的第一底视图，示出了从定位在结构框架的有凹口的基准面定位安装件内的光学元件伸出的翼片。

图24是根据一个实施例的结构框架的第二底视图，示出了从定位在结构框架的有凹口的基准面定位安装件内的光学元件伸出的翼片。

具体实施方式

虽然本发明能够以多种形式实施，但是在图中示出，并将在下文中描述，能够这样理解的一个或多个实施例：将本公开内容认为是本发明的例证，且目的不是将本发明限制于本文示出的具体实施例。标题仅为了方便而提供，不应将其解释为以任何方式限制本发明。任何标题下示出的实施例可与任何其他标题下示出的实施例组合。

现在将在下文中参考附图更详细地描述多种实施例，该附图形成本发明的一部分，并通过图示示出了具体实施例。然而，本发明可体现为许多不同的形式，且不应解释为限制于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开内容将是充分且完全的，并将完全把本发明的范围传达给本领域的技术人员。以下详细描述并不旨在限制性本发明。

在说明书和权利要求书中，以下术语采用本文明确相关的含义，除非上下文清楚地表示不是这样。短语“在一个实施例中”并非必须指的是相同的实施例，但也有可能是这样。此外，短语“在另一实施例中”并非必须指的是不同的实施例，但也有可能是这样。因此，如下所述，在不背离本公开内容的范围或实质的前提下，各种实施例可能容易地组合。

另外，如本文使用的，术语“或者”是包括的“或者”运算符，与术语“和/或”等价，除非上下文清楚地表示不是这样。术语“基于”不是排他的，允许基于额外的未描述的因素，除非上下文清楚地表示不是这样。另外，在说明书中，“一(“a”、“an”)”和“该(the)”的含义包括复数形式。“在…之内”的含义包括“在…之内”和“在…之上”。

本文描述的是一种主要基于反射的头戴式显示装置，其用于显示和观看来自视觉显示源的视觉内容。

根据本公开内容，反射型头戴式显示装置包括框架以及与框架连接的至少一个靠近眼睛的镜片壳体。镜片壳体和框架配置为，使得镜片壳体可至少部分地定位在用户的眼睛的前面。镜片壳体包括发光视觉源，其位于镜片壳体内并用于投射视觉内容。镜片壳体还包括多个反射光学表面，这些反射光学表面设置于镜片壳体内，配置为将来自视觉源的视觉内容的投影反射到用户的眼睛中。

因此，本公开内容主要是且基本上是基于反射的头戴式显示装置，与主要反射的、衍射的，或基于激光显示器的头戴式显示装置相反。以此方式，本公开内容可选地可以是完全无折射镜的头戴式显示装置。通过主要使用多个反射光学表面将视觉内容传递至用户的眼睛，该装置可用空气作为反射所通过的透光介质，与重的透明塑料相反。本公开内容的此方面具有使该装置明显比任何其他可用装置轻得多的好处。其还是第一个研发出的可用的、靠近眼睛的、主要基于反射的头戴式显示装置，因为之前研发这种基于反射的装置的行业努力尚未成功。本公开内容的另一好处是，因为该装置是主要基于反射的，所以反射器的尺寸和位置可构造为，使得可将所有用来将视觉内容从视觉显示源投射至用户的眼睛的反射器包含在保持靠近眼睛的相对小的镜片壳体内。这种小型装置不需要坚固的且昂贵的远程系统，这对于例如是基于激光显示器的装置是所必需的。

在本公开内容的另一方面中，框架是可穿戴的头戴式框架，光学表面配置为配合地放大视觉内容的投影，使得视觉内容看起来比从其所被投射的视觉源的实际尺寸大。另外，该装置可包括第一靠近眼睛的镜片壳体，其与配置为定位在用户的第一只眼睛前面的框架连接，以及第二靠近眼睛的镜片壳体，其与配置为定位在用户的第二只眼睛前面的框架连接。以此方式，实现双眼头戴式显示器。

在本公开内容的另一方面中，镜片壳体还包括基本上不透明的主传输壳体，其与基本上透明的辅助视觉壳体连接。将辅助视觉壳体定位在用户的眼睛前面，并其设计为允许用户看穿该辅助视觉壳体。其包括均透明的前防尘罩和外防尘罩。辅助视觉壳体具有与外防尘罩连通的可变调节的传输损耗层。此传输损耗层允许可选择地调节任何通过其中的光的传输损耗的量。因此，用户可调节该层，使得其是完全透明的，以允许看到所有通过该层的光，或使得其是完全暗的或不透明的，以防止看到通过该层的光，或具有可变的暗度等级，以允许部分地看到通过该层的光。

在本公开内容的另一方面中，该多个反射光学表面包括一系列反射光学表面，其包括第一反射光学表面、至少一个中间光学表面，以及最后反射光学表面。该最后反射光学表面可以是外防尘罩的内表面。将视觉内容从视觉源投射至第一反射光学表面。然后，将视觉内容反射至该至少一个中间光学表面，接下来反射至该最后反射光学表面(其是外防尘罩的内表面)，最后反射至用户的眼睛中。用户可通过制造可调节的传输损耗层，来选择性地选择仅看到位于该最后反射光学表面后面的视觉内容，其是完全暗的，从而阻止其看到辅助视觉壳体的外防尘罩周围的外部环境。或者，用户可通过将可调节的传输损耗层设置为仅具有部分暗度或不透明度，来选择性地选择具有“透过视觉”，同时看到视觉内容和实时的外部周围环境，即“混合现实”观看。以此方式，用户然后将看到覆盖在外部周围环境的真实世界景色上的视觉内容的反射。

在本公开内容的又一方面中，头戴式显示器能够通过非常轻的且小型的反射系统来实现大视野。在一个实施例中，全重叠模式(左右图像具有相同的视野)中的视野(FOV)可大于40度，或者，零重叠模式(左右视野对于左眼和右眼分别是唯一的)中的视野可大于80度。在另一实施例中，全重叠模式中的视野可大于50度，或者，零重叠模式中的视野可大于100度。在又一实施例中，全重叠模式中的视野可等于60度，或者，零重叠模式中的视野可等于120度。在又一实施例中，全重叠模式中的视野可大于60度，或者，零重叠模式中的视野可大于120度。用轻量且小型的框架可实现的大FOV值的程度对于本公开内容是唯一的。

在以下实施例的详细描述中将阐述其他实施例、目的、特征和优点，其部分地从描述中将是显而易见的，或者可通过所要求保护的发明的实践来习得。这些目的和优点将通过在书面描述及其权利要求书中特别指出的方法和组成来实现和获得。已经这样理解以上概述，可将其认为是本文公开的一些实施例的简要且概括的大纲，仅为了阅读者的利益和方便而提供，并非旨在以任何方式限制所附权利要求，或在法律上所赋予的等价内容的范围或界限。

HMD装置结构

参考图1、图2和图5，公开了一种用于显示和观看来自显示源的视觉内容的主要基于反射的头戴式显示器(HMD)装置5。HMD装置5包括框架10和与框架10连接的至少一个靠近眼睛的镜片壳体15。

在一个实施例中，框架10是可穿戴的头戴式框架，例如眼镜架的头戴式框架。然而，不应将此实施例的公开内容理解为限制框架10的形状。因此，在替代实施例中，框架10可以是任何类型的可配置为安装至头盔或安装至任何其他类似类型的可头穿戴装置，例如头带或可调节头箍。框架10与靠近眼睛的镜片壳体15连接，并配置为支撑靠近眼睛的镜片壳体15的重量。框架10还配置为，使得可将镜片壳体15至少部分地定位在用户的眼睛前面并在适当地穿戴时定位在HDM用户的视界中。

在一个实施例中，框架10与两个镜片壳体15连接，其中，可将第一镜片壳体15至少部分地放在用户的第一只眼睛前面，并可将第二镜片壳体15至少部分地放在用户的第二只眼睛前面。第一和第二镜片壳体15在物理上可以是相同的，彼此镜像，或者可期望其他组合的尺寸和形状。将此实施例认为是“双眼”HMD装置，因为该装置使用两个单独的通道(即，两个单独的镜片壳体15)对用户的两只眼睛中的每只眼睛提供单独的视觉内容。通过在两个通道上对用户的两只眼睛同时提供完全相同的视觉内容，或通过在第一通道上对用户的第一只眼睛提供第一视觉内容并在第二通道上对用户的第二只眼睛提供完全不同的第二视觉内容(即，类似每只眼睛注视单独的电视，每台电视显示不同的节目)，或通过在第一通道上仅对用户的第一只眼睛提供视觉内容且对用户的第二只眼睛不提供任何内容，双眼HMD装置可允许用户观看2维视觉内容。或者，通过对每只眼睛提供相同视觉内容的稍微不同的版本，双眼装置可允许用户实现3维立体视觉(即，双眼视觉)。然而，此实施例的公开内容不应理解为将HMD装置5仅限制为具有两个镜片壳体15的装置。因此，在一个替代实施例(未示出)中，框架10可仅与一个镜片壳体15连接，其中，框架10和镜片壳体15于是配置为，使得可将一个镜片壳体15部分地放在用户的第一只眼睛的前面。将此替代实施例的装置认为是“单眼”HMD装置，因为其是仅对用户的两只眼睛中的一只眼睛使用单个通道(即，一个镜片壳体15)的装置。

在又一替代实施例(未示出)中，框架10和镜片壳体15可配置为，使得镜片壳体15与框架10可选择性地附接/分离，从而允许用户选择是使用单眼HMD装置(仅具有一个镜片壳体15，用于一只眼睛)，还是使用双眼HMD装置(具有两个镜片壳体15，用户的每只眼睛均使用一个)。在另一些替代实施例(未示出)中，镜片壳体15可与框架10铰接，使得镜片壳体15可选择性地围绕铰链旋转，以将镜片壳体15从用户眼睛前面的位置移除，并将它们从用户的视线去除。

框架10由至少一种耐久的、轻量的材料组成，例如镁合金、铝合金、钛，或任何其他类似的基于轻量金属的具有非常轻量但非常耐久的物理特性的材料。然而，上述材料的公开不应理解为将轻量材料仅限制于基于金属的材料。因此，在替代实施例中，框架10由耐久的轻量材料组成，例如聚碳酸酯、PVC、聚乙烯、尼龙，或任何其他基于聚合物的具有非常轻量但非常耐久的物理特性的材料。

参考图3和图5，每个靠近眼睛的镜片壳体15包括用于投射视觉内容的发光视觉源20、多个反射光学表面30、主传输壳体40以及辅助视觉壳体45。

发光视觉源20是提供能够由观察者观看的视觉形式信息的电子装置。在一个实施例中，发光视觉源20是与电源连接的微显示器，其中，微显示器包括用于从外部源接受输入信号的源输入端，该输入信号将以视觉形式输出。然而，上述实施例的公开内容不应理解为，限制可在本文公开的主题的实践中使用的发光视觉源的类型。因此，在替代实施例中，发光视觉源20可以是激光显示器、微投影仪，或者任何其他能够显示视觉内容的装置或系统。此外，发光视觉源20可从外部源经由传统电线或电缆、光纤、无线信号传输，或信号和数据传输的领域中的技术人员已知的任何其他类似的传输信号的方式来接收输入信号。

将投影的视觉内容包括静态和动态视觉内容，以及任何可视觉显示并能够观看到的附加内容。静态视觉内容包括在显示过程中随着时间不变化的内容，并包括但不限于照片、静态图像、不更新新信息的静态文本和图形数据显示。动态视觉内容包括在显示过程中随着时间变化的内容，并包括但不限于视频重放或实时视频、变化的图像、当获得新信息时更新的动态文本和图形数据显示。

该多个反射光学表面30是具有高度抛光或平滑的表面精加工的表面，例如镜面、抛光金属的表面，或例如平滑玻璃的表面，并使用反射的光学物理原理，以反射入射于其上的光波。该多个反射光学表面30与发光视觉源20光学连通，并配置为将视觉内容的清楚聚焦投影从发光视觉源20配合地反射到用户的眼中。

参考图3A和图6，在一个实施例中，该多个反射光学表面30是单独的凹面和凸面的组合，并包括至少一个第一反射光学表面31和最后反射光学表面36。第一反射光学表面31是将视觉内容第一次从发光视觉源20投射的反射光学表面。最后反射光学表面36是将视觉内容最后反射到用户的眼中的反射光学表面。在一个实施例中，该多个反射光学表面30还包括至少一个中间反射光学表面(未示出)。这些凹、凸反射光学表面30另外配置为，当将投影从每个反射光学表面30反射出时配合地放大视觉内容的投影，使得当由HMD装置用户的眼睛观看时，所投射的视觉内容55(图9A至图9C)看起来放大且聚焦。然而，使用单独的凹面和凸面的组合的上述实施例的公开内容不应理解为，限制可在如本文公开的HMD装置中使用的反射光学表面的形状的范围。在替代实施例中，HMD装置5可仅使用凸反射光学表面，或仅使用凹反射光学表面，或其他独特的但不背离本文公开内容的范围的几何形状。此外，虽然上述实施例的公开内容由此已经涉及，仅使用多个反射光学表面30将从视觉源20投射的视觉内容反射至用户的眼睛的HMD，但是在不背离对主要基于反射的HMD的公开范围的前提下，替代实施例可包括额外的包含在光路中的光学元件。因此，在替代实施例中，除了包括多个反射光学表面30以外，一个或多个折射元件(未示出)可位于发光视觉源20和用户的眼睛之间的光路中，以操纵将通过其中的光波。在这点上，产生混合反射/折射HMD。

参考图2和图4，每个靠近眼睛的镜片壳体15包括屈光度调节器25或已经连接至屈光度调节器，该屈光度调节器与发光视觉源20连通。屈光度调节器25配置为在基本上平行于从发光视觉源20发出的视觉内容投影方向的方向上，向前或向后物理地移动发光视觉源20的位置。这样做，发光视觉源20将接近或远离第一反射光学表面31的固定位置地移动。这导致相应地调节所投射的视觉内容在用户眼睛内的最终焦点。因此，屈光度调节器25能够提供预定焦点校正并在固定预定范围上调节投射至用户眼睛的视觉内容的焦点。

再次参考图1至图6，主传输壳体40是HMD装置5中的靠近眼睛的镜片壳体15的腔室，来自发光视觉源20的视觉内容的投影来源于其中，并且，所投射的视觉内容的大多数的光学反射和放大发生在其中。在一个实施例中，主传输壳体40是基本上不透明的、中空的腔室，其具有发光视觉源20和设置于其第一端41的屈光度调节器25。主传输壳体40可进一步包含设置在主传输壳体40内部的多种位置处的该多个反射光学表面30中的每个，除了最后反射光学表面36以外。更具体地，该多个反射光学表面30部分地直接设置在主传输壳体40的前后内壁上，或直接设置在位于主传输壳体40的前后内壁上的支撑结构上。在一个实施例中，主传输壳体40与框架10连接并由该框架支撑。然而，上述实施例的公开内容不应理解为，将主传输壳体40的结构限制为仅是基本上不透明的或中空的腔室。在替代实施例中，主传输壳体可以是侧部开放的结构，或是简单地用来将反射光学表面30、发光视觉源20和屈光度调节器25支撑在其合适位置的开放式骨架结构框架，但是其并不防止外部入射的光进入反射光学表面30的反射路径中。

主传输壳体40由至少一种耐久的、轻量的材料组成，例如镁合金、铝合金、钛，或基于轻量金属的具有非常轻量但非常耐久的物理特性的任何其他类似材料。然而，上述材料的公开不应理解为将轻量材料仅限制于基于金属的材料。因此，在替代实施例中，主传输壳体40可由耐久的轻量材料组成，例如聚碳酸酯、PVC、聚乙烯、尼龙，或基于聚合物的具有非常轻量但非常耐久的物理特性的任何其他材料。此外，关于主传输壳体的位置，在一个实施例中，主传输壳体配置为基本上位于框架10和用户眼睛的下方，并靠近用户的面部。然而，在替代实施例中，主传输壳体40可配置为基本上沿着任何与框架10相连的听筒的长度定位、并靠近用户面部的一侧、位于框架10上方、位于用户眼睛上方、靠近用户的前额，或位于任何其他允许本文公开的HMD装置按照本文公开的教导能起作用所需的位置。

参考图2至图4和图6，辅助视觉壳体45在主传输壳体40的第二开口端42处与主传输壳体40连接，与发光视觉源20所处的第一端41相对。辅助视觉壳体45是镜片壳体15至少部分地位于HMD用户眼睛前面的部分。在一个实施例中，辅助视觉壳体45也与框架10和主传输壳体40整体连接。然而，上述实施例的公开内容不应理解为，将辅助视觉壳体45限制于与框架10或主传输壳体40整体连接。在一个替代实施例中，辅助视觉壳体45可与主传输壳体40可分离地或铰接地连接，并由其支撑。

参考图3至图4和图6，辅助视觉壳体45包括透明的前防尘罩46，其配置为直接定位在用户眼睛的前面并在用户视线中。在一个实施例中，前防尘罩46是光学中性的，因为其不用作传统的惯用镜片(prescriptionlens)。相反，前防尘罩46允许用户观察到来自任何视觉物体的光波没有任何明显的畸变、变化或使光波折弯地通过该前防尘罩。此外，在一个实施例中，前防尘罩46包括耐久的透明材料，例如聚碳酸酯、玻璃、丙烯酸塑料，或任何其他类似的透明且耐久的材料。

辅助视觉壳体45还包括外防尘罩47，其基本上是位于前防尘罩46附近的壳体。外防尘罩47配置为定位在前防尘罩46的前面并定位在和前防尘罩46相同的视线上。辅助视觉壳体45的前防尘罩46和外防尘罩47一起用来关闭主传输壳体40的敞开第二端42，从而基本上密封镜片壳体15，以防止灰尘或任何其他环境污染物进入镜片壳体15并妨碍反射镜片。

参考图9A至图9C，外防尘罩47包括凹内表面48，其配置为是该多个反射光学表面30中的最后反射光学表面36。如之前公开的，此内表面48是所投射的视觉内容55最后反射到用户眼中的反射光学表面36。在一个实施例中，外防尘罩47是基本上透明的、弯曲的壳体，其与可变调节的传输损耗层50连通。在此实施例中，外防尘罩47由耐久的透明材料组成，例如聚碳酸酯、玻璃、丙烯酸塑料，或任何其他类似的透明且耐久的材料。此外，外防尘罩47可选地可设计为具有足以达到至少用于在光学装置中提供弹道保护的最低要求的材料厚度。然而，上述实施例的公开内容不应理解为，将外防尘罩47限制于仅是基本透明或基本上透明的顺光(passive)壳体。在替代实施例(未示出)中，外防尘罩47可以是可开关的镜子或可翻转的电致变色的镜子，或任何其他类似的允许选择性地镜面反射或调节外防尘罩47的反射率的技术。

在一个附加的替代实施例中，该基本上透明的外防尘罩47也可以是“部分镜面”，因为透明的外防尘罩47具有部分镜像的内表面48，从而具有部分镜像的最后的反射光学表面36。此部分镜像的内表面48具有与最后的反射光学表面相关的固定的最小反射率值。反射率值是由表面反射的光的总辐射量与一开始入射在表面上的总辐射量的比值，表示为百分比。将部分镜面作为外防尘罩47的内表面48，从而作为最后的反射光学表面36，可允许HMD设计师增加反射光学表面的最小反射率值，使其高于另外将通过仅使用未处理的、透明的外防尘罩47可实现的值。在这种实施例中，可通过如上所述用反射材料(即，铝、银、金等)的薄沉积物处理或涂覆另外透明的外防尘罩47的内表面48，以增强内表面48的反射率并对最后反射光学表面36生成最小固定反射率值，来产生该部分镜面。通过选择沉积在最后反射光学表面36上的反射材料的适当类型和厚度，可精确地实现具有预期最小反射率值的部分镜面。在一个实施例中，部分镜面可具有大约1-10％、11-20％、21-30％、31-40％、41-50％、51-60％、61-70％、71-80％、81-90％或91-99％的范围内的最小反射率。

因为一个实施例的基本上透明的外防尘罩47是具有凹内表面48的弯曲壳体，所以外防尘罩47用作当通过该外防尘罩观察时使用户对周围环境产生观察畸变的折射镜片。因此，外防尘罩47的外表面49具有形成于其上的单独的校正折射镜片形状(未示出)，其抵消此畸变以产生光学中性的外防尘罩47，光学中性的意思是对通过其中的光波没有明显的畸变效果。

再次参考图9A至图9C，在一个实施例中，可以可选择性地制造与外防尘罩47连通的可变调节的传输损耗层50，以具有不同级别的暗度或不透明度，范围从完全黑或完全不透明到完全透明。在一个实施例中，可调节传输损耗层50可包括至少三个不同的层51、52、53，其中，柔性且可调节的液晶层52层压在或位于两个保护层51、53之间(见图9A至图9C)。此三层的夹心结构能够可移除地附接至外防尘罩47的外表面49或内表面48，并且，可调节液晶层的暗度，以允许不同级别的传输损耗的光通过该外防尘罩。

然而，上述实施例的公开内容不应理解为，将可调节传输损耗层50限制于是单独的可附接至外防尘罩47的能移除层。在替代实施例中，可调节的传输损耗层50可与外防尘罩47整体相连。在这种实施例中，外防尘罩47可包括至少两个单独的层，其中，可调节传输损耗层50是柔性且可调节的液晶层，其层压在或位于外防尘罩47的两层之间。在又一替代实施例中，可调节的传输损耗层50可与外防尘罩47的外表面49或内表面48整体相连。另外，上述实施例的公开内容不应理解为，将可调节的传输损耗层50限制于仅使用液晶技术。在替代实施例中，可调节的传输损耗层50可使用任何类型的技术，或是任何类型的能够获得可调节级别的传输损耗的层，例如可开关的镜子或可翻转的电致变色的镜子。

另外，因为一个实施例的前防尘罩46和外防尘罩47是基本上透明的，所以用户能够看穿前防尘罩46和外防尘罩47，以观察用户的真实世界的周围环境且同时观察覆盖在用户的真实世界周围环境的景色上的所投射的视觉内容55。这对用户提供“透过视觉”，其中，用户同时看到视觉内容55和周围环境的混合现实场景。如果用户希望更明亮地看到所投射的视觉内容55，那么他会进一步朝着暗度或不透明度的标度终点增加与可调节的传输损耗层50相关的暗度或不透明度的级别，接着这将增加通过该层到达用户眼睛的外部光的传输损耗，并使用户能够看到的周围环境的景色变暗。如果用户使可调节的传输损耗层50完全黑暗或不透明，那么他将仅能够看到所投射的视觉内容55，并且，将完全遮住外部环境。然而，如果用户将可调节的传输损耗层50调节至完全透明，那么用户将仍能够在明亮地看到周围环境的同时看到视觉内容55的微弱投影。在一个外防尘罩47是未处理的、透明的外防尘罩且将可调节的传输损耗层50调节至完全透明的实施例中，用户将完全明亮地看到周围环境。然而，在外防尘罩47是部分镜面的实施例中，由于来自部分镜面的传输损耗防止所有来自周围环境的光通过外防尘罩47到达用户的眼睛的原因，周围环境看起来将比实际情况稍暗。一种额外的调节用户看到的所投射的视觉内容55的亮度的方式是，使发光视觉源20的输出变亮或变暗。

在一个替代实施例中，可调节的传输损耗层50可简单地全部移除并用一组变暗过滤器代替，该一组变暗过滤器具有固定级别的传输损耗，与太阳镜类似，该过滤器附接至外防尘罩49的外表面。这些过滤器将仅允许固定百分比的入射光从其中通过。在又一替代实施例中，可完全没有可调节的传输损耗层50，外防尘罩47本身可以是一组基本上透明的变暗过滤器。在此实施例中，混合真实场景中的所投射的视觉内容55和周围环境的亮度可主要由制造透明外防尘罩47的透明材料的颜色和/或阴影决定。例如，如果透明外防尘罩是木炭色，那么这将导致通过外防尘罩47的外部光的一些传输损耗。在此情况中，当周围环境的景色将看起来比如果外防尘罩47由无色透明材料制成更暗的同时，所投射的视觉内容将表现得更明亮。

此外，在前防尘罩46和外防尘罩47均是透明的或允许用户观察真实世界周围环境的任何上述实施例中，辅助视觉壳体45可配置为允许预定镜片(未示出)附接至该辅助视觉壳体，以在必要时对用户提供预定焦点校正，从而清楚地通过其观察周围环境。在一个替代实施例中，辅助视觉壳体45的前防尘罩46可以是永久的预定镜片，特别用于用户的预定焦点校正需求，用于当用户正在通过其观察周围环境时使用。

在又一替代实施例中，外防尘罩47可以是永久的且基本上不透明的壳体，其防止用户通过该外防尘罩看到周围环境。以此方式，用户仅可观察到从外防尘罩47的内表面48反射出的所投射的视觉内容的反射，该内表面48也是最后反射光学表面36。此外，在此替代实施例中，不需要在外防尘罩47的外表面49中形成校正镜片形状，因为不可能看穿外防尘罩47。

参考图3A，如之前公开的，HMD装置5包括第一反射光学表面31和最后反射光学表面36，并在一个实施例中包括至少一个中间反射光学表面(未示出)。在一个实施例中，HMD装置5是具有总共五个反射光学表面的装置，该至少一个中间反射光学表面32包括第二反射光学表面33、第三反射光学表面34和第四反射光学表面35。在此实施例中，第一反射光学表面31和第三反射光学表面34是凹面，第二反射光学表面33和第四反射光学表面35是凸面，第一反射光学表面31、第二反射光学表面33、第三反射光学表面34和第四反射光学表面35中的每个均是位于主传输壳体40内的基本上完全镜像的表面。此外，如之前在一个实施例中公开的，最后反射光学表面36是外防尘罩47的凹透明内表面48，其由透明材料组成，例如聚碳酸酯。然而，上述五反射器HMD装置的公开内容不应理解为，将HMD装置的范围仅限制于那些使用五个反射光学表面的HMD装置。因此，可存在使用少于或多于五个反射光学表面且仍然落在本公开内容的范围内的替代实施例。

参考图5和图6，在一个替代实施例中，HMD装置5可以是具有总共三个反射光学表面30的装置，该至少一个中间反射光学表面32包括第二反射光学表面33。在此替代实施例中，第一反射光学表面31是凹面，第二反射光学表面33是凸面，第一反射光学表面31和第二反射光学表面33均是位于主传输壳体40内的基本上完全镜像的表面。另外，最后反射光学表面36是外防尘罩47的凹的、透明的内表面，其由透明材料组成，例如聚碳酸酯。

确定反射光学表面的几何形状

在一个实施例中，通过使用高端光学设计软件(例如，光学研究联合公司编写的CODE-V、ZEMAX开发公司编写的ZEMAX，或Sinclair光学公司编写的OSLO)，来确定每个反射光学表面的几何形状，以基于独立设计输入变量的长列表，来确定反射光学表面的形状，该输入变量由HMD系统开发商选择并具有由HMD系统开发商设置的输入值。对于光学系统设计领域中的技术人员来说，这些上述实例高端光学设计软件包均应是熟悉的。

每个镜子的形状和限定每个镜子的形状的相关算法，由软件输出并基于大量的输入变量来确定，这些输入变量由系统开发商选择并具有其由系统开发商设置的值。这些变量是基于预期整体系统或特定设计需求选择的特定设计参数。在一个实施例中，软件的操作员独立地选择设计输入变量及其相关的值，并在运行将输出几何形状的计算机分析和限定那些形状的相关算法之前，将这些值输入光学设计软件。在设计变量的长列表中，在运行任何计算机分析之前将确定并输入软件的那些值如下：单独反射光学表面和/或整个主要基于反射的系统中的折射元件的预期数量；每个反射光学表面将是凹的、凸的、平的、一定程度上独特的替代几何形状，或其组合；与最后反射光学表面相关的眼睛间隙的预期范围；眼睛盒的预期尺寸；整个反射系统的预期FOV角度；可接受的或预期的视觉内容畸变的量，例如枕形畸变或桶形畸变，其可由HMD装置用户观察到；整个系统包(即，包套件)的预期尺寸；预期的离开视觉角度；混合现实场景是否是需要的；所投射的光波将从视觉源20进入系统的方式，以及其将从最后光学表面36离开系统的预期方式；以及你希望整个系统是高于眼睛的系统、低于眼睛的系统，还是在眼睛侧面的系统。此列表绝不是变量的详尽列表，并已提供的列表作为可能的系统设计选择输入变量的例证。存在其他将影响软件分析的输出和任何产生的限定每个反射光学表面的形状的数学算法的设计变量。输入软件的变量取决于预期整体系统或HMD装置的特定设计要求。

提供以下描述，以进一步阐明并定义以上提到的上述设计变量。眼睛间隙是从用户眼睛的瞳孔到最后反射光学表面的中心点的距离。眼睛盒是来自最后反射光学表面的几乎平行的光束可进入用户眼睛的虚拟区域(通过该虚拟区域)。眼睛盒大体是由至少和用户眼睛的瞳孔一样大(如果不是明显大于通孔)的直径限定的圆形区域。例如，如果在平均照明情况中典型的用户具有2mm直径的瞳孔，那么可希望选择10mm直径的眼睛盒尺寸。这将允许用户在上下左右方向上在眼睛盒内移动他眼睛的瞳孔，且一直看到从最后反射光学表面反射出且通过较大的10mm眼睛盒的视觉内容。如之前讨论的，FOV指的是用户可看到从最后反射光学表面反射的可观察内容的扫过的角度程度(大体是对角的角度)。整个系统包(或“包套件”)的尺寸指的是整个HMD装置的外尺寸，包括所有镜片壳体。最后，离开视觉角度指的是，在混合现实场景中，用户在穿戴HMD装置的同时可通过HMD装置观察外部的整个可允许的视觉角度。

一旦选择变量且其预期值已由系统设计师确定，设计师便启动光学设计软件的分析部分，以运行计算机设计分析，从而确定每个反射光学表面的整体几何形状及其相对于彼此和相对于用户眼睛的相关位置。当完成分析时，软件输出定义每个几何表面的形状的复杂算法。如果甚至改变大量输入变量中的一个或甚至稍微改变，那么每个反射光学表面的几何形状、其相对位置，以及产生的定义几何表面的数学算法，都将完全改变。因此，仅有一个特定的一般公式用来定义每个表面的几何形状，该一般公式基于所选输入变量的组的特定值。因此，通过如此多的输入变量的选择和那些变量的对应值的选择，理论上存在无限数量的可能的反射光学表面几何形状以及相关的定义那些几何形状的算法，均基于所选择的独立输入变量及其所选值的特定组合。

HMD装置的操作

参考图1，在操作中，五反射器HMD装置5的一个实施例如下工作。HMD装置用户将HMD装置5的框架10和所附接的镜片壳体15放在他的头上，好像他将戴一副眼镜一样。将镜片壳体15定位为，使得辅助视觉壳体45位于用户眼睛的前面，前防尘罩46和外防尘罩47位于用户的直接视线内。用户首先看穿透明的前防尘罩46，然后看穿透明的外防尘罩47，以观察他的周围环境。如果用户不是自然地具有至少20/20视力，且通常使用一些类型的预定镜片校正以达到20/20视力，那么可将预定镜片附接至辅助视觉壳体45的前防尘罩46，位于用户的眼睛和前防尘罩46之间。

对发光视觉源20和与外防尘罩47连通的可变半透明层50提供电力。将视觉输入信号发送至发光视觉源20的源输入。发光视觉源20接受视觉输入信号并将其转换成待投射的视觉内容。参考用于五反射器HMD装置的图3A和图7(见用于三反射器HMD装置的图6和图8)，将显示在发光视觉源20上的视觉内容从那里投射至凹的第一反射光学表面31。然后，凹的第一反射光学表面31将所投射的视觉内容反射至凸的第二反射光学表面33。然后，凸的第二反射光学表面33将所投射的视觉内容反射至凹的第三反射光学表面34。然后，凹的第三反射光学表面34将所投射的视觉内容反射至凸的第四反射光学表面35。第一反射光学表面31、第二反射光学表面33、第三反射光学表面34和第四反射光学表面35均是基本上完全镜像的表面。然后，凸的第四反射光学表面35将所投射的视觉内容反射至凹的最后反射光学表面36，在一个实施例中，其也是透明外防尘罩47的内表面48。透明外防尘罩47的内表面48，以及相应地最后反射光学表面36，可以是如之前描述的部分镜面。然后，凹的最后反射光学表面36将所投射的视觉内容通过前防尘罩46(并通过任何附接至该前防尘罩的预定镜片)反射至用户眼中，更具体地，反射至虚拟眼睛盒，在那里，视觉内容看起来放大且聚焦。

然而，此实施例的操作的公开内容不应理解为，限制所投射的视觉内容从该多个反射光学表面30中的每个反射的顺序。换句话说，视觉内容从反射表面反射的顺序不仅仅限制于以连续顺序出现反射，以及每个反射表面仅用于视觉内容的一次反射。

例如，在将另外的使用七个反射光学表面来实现特定的预期放大率和FOV角度(即，视觉内容的连续反射顺序是：反射器#1、反射器#2、反射器#3、反射器#4、反射器#5、反射器#6、反射器#7)的系统中，通过使用五个反射光学表面中的一个执行将另外用三个单独的反射光学表面实现的反射(即，所投射的视觉内容的反射顺序可以是：反射器#1、反射器#2、反射器#3、反射器#1、反射器#4、反射器#5、反射器#1)，相同的放大率和FOV可以能够仅用五个反射光学表面来实现。

通过一个实施例的操作的公开内容继续描述，如果用户没有立即足够明亮或清楚且聚焦地看到投射至用户眼睛的视觉内容，那么用户可对HMD装置5进行几次调节，以改进或优化用户的透过视觉并实现更平衡的混合现实场景。首先，参考图9A至图9C，关于所投射的视觉内容的亮度，如果用户感到视觉内容不是足够明亮，那么用户可对能可变调节的传输损耗层50进行调节，以使层50更暗和更不透明，接着增加通过该层中的外部光的传输损耗，以使视觉内容的投影看起来更亮。然而，这样做也会减小从周围环境进入用户眼睛的光的量，从而使用户对以混合现实场景透过所投射的视觉内容看到的真实世界周围环境场景变暗。相反，如果用户对周围环境的观察过暗以至于看不到，或者如果简单地未处于用户预期的亮度等级，那么用户可调节该可调节的传输损耗层50，以使层50看起来更亮且更透明。这将减小通过该层中的外部光的传输损耗，并允许更多的光从周围环境通过层50到达用户的眼睛。然而，这具有使所投射的视觉内容对混合现实场景中的用户看起来更亮或不太逼真的效果。

第二，参考图4，关于用户看到的所投射的视觉内容的清晰度，如果所投射的视觉内容未清楚地聚焦，那么用户可对屈光度调节器25进行手动调节，以使发光视觉源20靠近或远离位于主传输壳体40内的第一反射光学表面31。这导致对所投射的视觉内容在用户眼睛内或在眼睛盒内的最终焦点的位置进行相应调节，从而允许用户清楚地聚焦视觉内容。

如本文目前公开的，与主要基于反射的HMD装置5相关的一个主要好处是，因为不需要任何重的玻璃或丙烯酸塑料折射镜片且不需要在该装置内安装硬件以实现所投射的视觉内容的放大和聚焦，所以HMD装置5对穿戴的用户来说非常轻且舒适，比任何其他可用的HMD装置都更轻且更舒适。此外，因为反射镜片不需要单独的且昂贵的折射镜片，所以与本文公开的HMD装置相关的制造成本明显低于消费者市场、商业市场或军用市场上目前可用的其他HMD装置。这也转换成最终HMD装置5的明显更低的购买价格。另外，如本文公开的主要基于反射的HMD装置5能够实现可读大文本的FOV角度并将FOV角度从该装置的一个实施例增加至该装置的另一实施例，而不对HMD装置5增加明显的成本或重量。最后，与本文公开的HMD装置相关的另一好处是，因为主要基于反射的HMD装置5的镜片壳体15非常小，所以HMD装置5是靠近眼睛的装置。

HMD的一个实施例的一般物理描述

根据一个实施例的HMD是将由用户穿戴的物品，并提供电子产生的图像的立体图。该图像大体是处理器产生的或计算机产生的，可以是静态图像或运动的动画图像。该图像可包括照片、图形、文本，或其他类型的视觉主题。在一些使用情况中，可挡住用户看到的图像以不受到外部光，从而对用户提供完全拟真的体验。在一些使用情况中，用户看到的图像可对用户提供“增强的”真实场景；即，可将该图像叠加在用户周围的真实世界的外部场景上。

图10至图13中描绘了HMD102的一个有利实施例的装配图。图10概括地描绘了HMD102的等距前视图。图11描绘了根据用户看穿HMD102的角度的后视图。图12描绘了HMD102的顶视图，图13描绘了该HMD的侧视图。

在图10至图13中定义了方向轴X、Y和Z。通常，将X轴定义为根据穿戴HMD102的用户水平地从左到右。X轴通常遵循HMD102的外框架106的顶部104。下面进一步详细描述了包括框架106的HMD102的结构。将Y轴定义为当使用HMD102且用户站立或坐直时与重力参考大约对齐的竖直轴线。最后，将Z轴定义为当用户在向前的方向上通过HMD102向前看时与HMD102的用户的“位置线”大约对齐。轴线X、Y和Z通常是相互正交的。

在方向方面，我们将沿着X轴的左右指的是对应于用户的左眼和右眼。相对于Y轴向上和向下指的是当用户站直并穿戴HMD102时的重力参考框架。相对于Z轴向前指的是用户的视线且远离用户。相对于Z轴向后是与相对于Z轴且朝向用户的向前方向相反。

图10至图13中描绘的其他特征是沿着外框架106的顶部104定位并位于其下方的两个微显示器机构108。每个微显示器机构108的X位置与用户的每只眼睛的X位置大约相同。每个微显示器机构108包含较小的安装在定位机构中的微显示器，该定位机构用于调节微显示器沿着X轴和Z轴的位置。定位机构包括，用于沿着X轴移动微显示器的X轴位置调节器110，以及用于沿着Z轴移动微显示器的Z轴位置调节器112。下面将更详细地讨论微显示器机构108，包括部件、动作和装配。

光路

根据一个实施例的HMD102的光路主要由微显示器和一系列非旋转对称的、自由曲面的反射镜片限定。这意味着，光学元件围绕通常沿着光线路径的轴线不是旋转对称的，该光线路径通过光线束的焦点。本质上，该光学元件是非球面元件(非球面自由曲面)。微显示器非常小，典型地范围从0.37”(对角线上)到0.97”(对角线上)。镜子，或者反射器或反射光学表面，大体布置为使光相对于轴线前后反射，该轴线大体与用户的视线(例如Z轴)一致。在一个示例性实施例中，此技术仅使用空气作为透光介质。大多数HMD光学系统对其光路使用更高折射率的材料。这带来比使用空气更大的重量和成本。每个反射器(例如，一个实施例中是三个反射器)大体是细长的，长轴位于沿着水平轴线(例如X轴)的地方，短轴位于沿着竖直轴线(例如Y轴)的地方。每个反射镜是自由曲面的，或相对于水平X轴非对称的，同时相对于垂直Y轴是对称的。反射器分别是凹的或凸的。在一个示例性实施例中，HMD102包括三个反射面或镜面，以从微显示器反射的光的相应顺序，叫做M1、M2和M3。在该示例性实施例中，M1是凹的，M2是凸的，M3是凹的。

在该示例性实施例中：(1)微显示器相对于用户的视线大体面向前方或远离用户；(2)M1镜子相对于竖直Y轴定位在M1镜子的正下方，且其反射面大体面向后方并朝向用户；(3)M2镜子相对于竖直Y轴定位在M1镜子的正下方，且其反射面大体面向前方并远离用户；(4)M3镜子相对于竖直Y轴定位在M2镜子的正下方，且其反射面大体面向后方并朝向用户。

光路使来自微显示器的光和图形相对于用户沿着Z轴的位置线以前后方式通过，并相对于重力参考和Y轴竖直向下地通过，将光线束从每个连续镜子反射出，直到其到达用户的眼睛为止。该光路是(1)从微显示器到M1，(2)从M1到M2，(3)从M2到M3，以及(4)从M3到用户的眼睛。

产生放大图像的此方法包含非瞳孔成形系统，提供到瞳孔中的同轴(tele-centric)光路。换句话说，在本公开的系统中进入用户眼睛的光线是平行的，使得图像总是可见的，不管用户的瞳孔的位置如何。形成相当大的出瞳，是8mm的量级。HMD102的这些方面提供最大眼睛舒适性和观察便宜性，没有渐晕。换句话说，与图像中心相比，在外围处的图像没有亮度或饱和度的减小。在此光学解决方案之前，在此小形状因素中的此视野尺寸是不可能的。

图14和图15中描绘了由HMD102的光学部件限定的光路114的图示。将光路114描绘为完全在微显示器116和用户的眼睛118之间反射。在微显示器116和用户的眼睛118之间，是一系列自由曲面的反射镜片或镜子。该镜子称为是自由曲面的，因为其是非对称的；即，其相对于中心光线路径不对称。在相对于图14和图15描绘的示例性实施例中，其相对于竖直Y轴是对称的。

光路114从矩形微显示器116开始，该微显示器大体是相对小的发出图像的面板。在一个实施例中，微显示器116具有0.2英寸至1.0英寸之间的对角线长度。对于一个实例消费者装置，对角线长度优选地在0.3英寸至0.6英寸的范围内。在一个实施例中，微显示器对角线长度的消费者版本是大约0.37英寸。对于军用实施例，对角线长度是大约0.97英寸。

用于微显示器116的图像发射技术的实例包括OLED(有机发光二极管)显示器、LCOS(液晶覆硅)显示器，或LCD(液晶显示器)。参考图14，来自微显示器116的图像沿着第一光路段120到达M1镜子122。第一光路段120包括在微显示器116和M1镜子122之间大体发散的光线。第一光路段120的光线平均起来几乎与Z轴平行，但是限定相对于Z轴的锐角。第一光路段120大体沿着Z轴从微显示器116指向前方，并沿着Y轴指向下方。

第一镜子M1122具有细长的几何形状，其具有沿着X轴设置的长轴和沿着Y轴设置的短轴。然而，M1镜子不是平面的；而是凹的，但是其长度大体沿着X轴和Y轴，并具有较小的Z轴分量。

第二光路段124在M1镜子122和M2镜子126之间延伸。第二光路段124大体相对于Z轴从M1镜子122指向后方，并相对于Y轴指向下方。因为M1镜子122是凹的，所以沿着第二光路段124的光线大体是会聚的。

M2镜子126大体是凸的，并具有细长的几何形状，其具有沿着X轴设置的长轴和沿着Y轴设置的短轴。第三光路段128在镜子M2126和镜子M3130之间延伸。第三光路段128大体沿着Z轴从M2镜子126指向前方，并沿着Y轴指向下方。因为M2镜子126是凸的，所以沿着第三光路段128的光线大体是发散的。

M3镜子130是凹的，并大体沿着X轴和Y轴设置。第四光路段132在M3镜子130和用户的眼睛118之间延伸。第四光路段132大体沿着Z轴从M3镜子130指向后方，并沿着Y轴指向下方。因为M3镜子130是凹的，所以沿着第四光路段132的光线大体朝着用户的眼睛118会聚。

镜子M1122、M2126和M3130大体主要沿着X轴和Y轴设置。然而，它们相对于X轴也可是大体倾斜的，以限定整个光路114。因此，在较小的程度上，镜子也沿着Z轴放置。而且，它们是非平面的，因此，此描述是近似的。

如可看到的，整个光路114(包括第一光路段120、第二光路段124、第三光路段128和第四光路段132)相对于Y轴逐渐地，或单一地，指向下方，同时，当光线从微显示器116沿着路径114到达用户的眼睛118时，相对于Z轴交替地指向前后方向。光路114在微显示器116和用户的眼睛118之间交替地分散和会聚。此光路的一个有趣的方面是，其没有光圈(stop)。也就是说，没有光线束会聚且翻转的一点。大多数光学系统在其光路上使用光圈。根据一个实施例的HMD102的光路使用用户的瞳孔作为该系统的光圈。此引导路径光学放大器产生非瞳孔成形，使出瞳光线束同轴。此类型的光学系统产生自然的、放松的观看体验。

图14和图15描绘的光路可提供大视野(FOV)。可从全重叠、部分重叠或零重叠的方面来描述FOV。全重叠是，当左右图像在彼此之上完全重叠时，使得其具有相同的视野。零重叠是，当左右图像覆盖不同的视野时的视野。部分重叠是，当存在具有使左眼和右眼独特的部分重叠的视野中央部分的图像时的视野。

相对于图14和图15描述的光路，使得全重叠FOV能够大于40度，大于50度，等于60度或大于60度。相对于图14和图15描述的光路使得零重叠FOV能够大于80度，大于100度，等于120度或大于120度。使得部分的FOV值将处于全重叠FOV和零重叠FOV之间。

光学部件的结构支撑

一些实施例使用单独的光学支撑子底架，其位于单独的非光学的支撑外眼镜架内。对光路的机械支撑包括提供多种功能的结构框架，这些功能包括，支撑所有光学部件并提供可配置在一组轻量眼镜中的形状因素。该结构框架由具有低热膨胀系数和高弹性模量的材料制成。在一个示例性实施例中，子底架由模制或铸造的镁合金形成。在另一示例性实施例中，该合金是AM60B，其是主要包含镁但是也包含铝、锰、锌和其他金属的镁合金成分。AM60B的最大抗张强度是220MPa。AM60B的受拉屈服强度是130MPa。产生的铸造材料的密度是1.79g/cm³。

包括所附光学部件的结构框架以这样的方式构成，以提供精确的用于容纳光学元件并便于装配的关键基准面。结构框架相对于竖直Y轴具有上边缘和下边缘，在两者之间限定两个开口，具有基准面。形成在上边缘中的是两个凹部，其在水平X轴上与用户的眼睛大致对齐，其包含额外的基准面。每个凹部配置为容纳支撑微显示器的微显示器机构，该微显示器机构包含其自己的对齐翼片，对齐翼片位于结构框架基准面中。在安装在凹部中时，每个微显示器机构从上边缘朝着下边缘向下延伸。在一个示例性实施例中，每个凹部延伸的距离小于从上边缘朝着下边缘的距离的一半。在一个示例性实施例中，每个微显示器相对于用户的位置线面向前方，也就是说，远离用户的眼睛。在一个示例性实施例中，每个微显示器机构对用户提供调节每个微显示器的焦点和横向位置的机构。

在凹部的下端或远端，是用于光学元件的安装件，在一个实施例中，该光学元件叫做M2镜子126。M2镜子126是相对于用户的位置线面向前方的凸面镜。

结构框架中的两个开口都配置为容纳复合光学元件。该复合光学元件由光学上明亮的、低比重的、高抗性且高尺寸稳定性的材料形成。在一个示例性实施例中，该明亮的材料是环烯烃聚合物(COP)家族中的聚合物。

用于复合光学元件和M2镜子126的一种实例材料是ZEONEXF52R。该材料的特征是：在严酷的条件下(高温高湿)具有非常低的双折射率和非常好的稳定性。折射率是1.535。双折射率是0.5。玻璃态转变温度是156℃。

每个复合光学元件限定两个光学元件，包括M1反射光学表面(或镜子122)和M3反射光学表面(或镜子130)，其均是相对于用户的视线面向后方(也就是说，背朝着用户的眼睛)的凹面镜。这些复合光学元件包含其自己的对齐翼片，其使光学结构框架中的基准面相互关联，这便于在装配过程中进行光学对齐。

因此，单个结构框架刚性地支撑两个微显示器组件(用户的两只眼睛每只一个)、两个复合光学元件和两个共同对每只眼睛限定光路的凹面镜。每只眼睛的光路在微显示器处开始，然后(1)向前横越至M1镜子，(2)从M1镜子向后横越至M2镜子，(3)从M2镜子向前横越至M3镜子，并且(4)从M3镜子向后横越至眼睛。

因此，结构框架用作一对眼镜的主结构部分，同时保持一系列镜片精确地对齐。此方法提供装配简易性以及光学元件和微显示器支架/机构的非常精确的对齐。与之前的眼镜架不同，此结构框架具有非常高的模量，并且是足够尺寸稳定的以提供适合于HMD的光路的精确光学对齐。这些特征的独特的几何布置使得光路能够具有非常小的剖面且紧凑，同时使得用户能够调节焦点和瞳孔间距离。

图16和图17描绘了限定光路114的HMD102的结构特征。图16是结构框架134的后透视图，其本质上是光路114的机械主干(backbone)。这些实施例保持镜子122、126、130和微显示器116的精确且稳定的对齐，因为光学部件的定向或对齐上的小误差将对用户看到的图像产生不利影响。光学结构的一个方面是结构框架134。结构框架134应具有非常好的强度，但是同时非常轻。

因此，一个属性是结构框架134的比重。在一个实施例中，结构框架材料的比重小于3。在另一实施例中，比重小于2。在一个示例性实施例中，比重在1.5至2.0的范围内。使用相对低的比重的材料，以使用户舒适，因为眼镜中的任何过度重量都是明显不舒服的。

在一个示例性实施例中，结构框架134由注射成型的或铸造的镁合金形成。这使得能够用非常有效且低成本的方法形成轻量且高性能的框架。除了镁以外，典型的镁合金可包括一定量的铝、锰、硅、铜、锌、铁和镍(举出几种其他元素)。这种合金的实例包括通过以下合金名称已知的材料：AM60A、AM60B、AZ71E、AZ91A、AZ91B、AZ91C、AZ91D和AZ91E，以举出几个实例。

AM60A和AM60B合金具有大约220MPa(百万帕斯卡)或大约32KSI(数千磅每平方英寸)的抗张强度。屈服强度是大约130MPa。拉伸弹性模量是大约45GPa(千兆帕斯卡)或大约650万PSI(磅每平方英寸)。关于这些材料突出的是，大约1.8(在20℃下测量是1.8g/cm³)的低比重。因此，这些合金对结构框架134提供特别轻量且坚固的材料。以上列出的其他铸造镁合金具有相似的特性。

结构框架134包括上边缘136和下边缘138，在其之间限定开口140。上边缘136相对于Y轴限定结构框架134的上部。下边缘138相对于Y轴限定结构框架134的下部。

参考图16，两个相对于Y轴向下延伸的凹部142限定在上边缘136的部分中。每个凹口142配置为容纳微显示器机构108。在每个凹部142相对于Y轴的下端或远端处，是配置为支撑M2镜子126的安装件144。

结构框架134中的开口140均配置为容纳并支撑复合光学元件146。

如图17所示，复合光学元件146主要沿着X轴和Y轴设置，因此其相对于光路114均具有凹的几何形状。每个复合光学元件146在均具有两个不同的光学元件(包括M1镜子122和M3镜子130)的意义上是“复合的”。在一个示例性实施例中，复合光学元件146由光学上透明的、轻量的且高度尺寸稳定性的聚合物形成，该聚合物属于环烯烃聚合物(COP)家族。

用于复合光学元件146和M2镜子的一种实例材料是ZEONEXF52R。该材料的特征是：在严酷的条件下(高温高湿)具有非常低的双折射率和非常好的稳定性。折射率是1.535。双折射率是0.5。玻璃态转变温度是156摄氏度。

M1镜子122和M2镜子126都是不透明的且尽可能接近于100％的反射性，以最大化光路114的光学效率。另一方面，M3镜子130是部分反射性的，允许来自外部复合光学元件146的外部光通过并到达用户的眼睛。与复合光学元件146结合地使用电致变色覆层，以允许用户改变可到达复合光学元件146的环境光的量。

在一个示例性实施例中，复合光学元件146的透明材料具有零光功率，以允许用户对“外部世界”具有中性的、未畸变的前向视觉。所有镜面的频率响应是尽可能平稳的，在400nm至800nm的可见光波段中。

在一个替代实施例中，M1和M3镜子可由两个不同的光学元件形成。这将使得能够分离两个光学元件的制造，但将对整体组件增加一定的复杂性。单独的光学元件的功能和特性本质上将与其集成的配对物相同。

如可看到的，结构框架134执行许多功能，包括支撑并保持光路114的所有光学部件对齐，包括微显示器116、复合光学元件146和M2镜子126。结构框架134和光学部件的组件提供刚性的、精确的且尺寸稳定的光路114，同时对用户非常轻且舒适。如相对于图16和图17描述的此光学组件使得能够在非常小且轻的同时具有相对于图14和图15描述的视野(FOV)值。

微显示器机构

对HMD102提供小型且精确的光路对齐机构。光路包括微显示器和至少一个将图像从微显示器传送至用户的眼睛的光学元件。对齐机构配置为适应沿着两条轴线的用户的瞳孔的位置：(1)大体沿着用户的位置线的Z轴，其对应于光路的焦距；以及(2)水平的且横向于位置线的X轴，其对应于用户的瞳孔间距离(IPD)。对齐机构通过沿着这两条轴线不连续地移动微显示器来提供此适应。

改变IPD的此机械方法允许整个光学组件在眼镜架中保持固定，同时提供双轴调节；对焦距进行前后调节，以及对IPD进行左右调节。微显示器保持机构使显示器相对于M1镜子横向地(左或右)移动。由于M1镜子的几何形状(主要是双凹面反射器)的原因，当显示器的中心线在水平面上左移或右移时，当来自显示器的光线偏心地进入M1时，输出光线束左移或右移，导致从光线束到显示器的中心线的距离改变。

在一个示例性实施例中，整个微显示器机构装入这样的套件，其在X方向上(左到右)小于30mm，在Z方向上(沿着用户的视线)小于15mm，并在Y方向上(垂直于X和Z)小于20mm。在另一示例性实施例中，显示器机构组件的套件尺寸是：X方向上29mm，Z方向上13.85mm且Y方向上18mm。

图18A至图18F描绘了微显示器机构108的不同视图。图18A和图18B描绘了分解形式的微显示器机构108，以示出微显示器机构108的各种元件和装配过程。微显示器机构108包括支架148、微显示器保持件150、X齿轮152和Z齿轮154。支架148限定用于约束微显示器保持件150的运动的槽155、用于容纳X齿轮152的轴166的开口157，以及用于容纳Z齿轮154的轴172的开口159。

微显示器保持件150包括上部156和下部158。下部158相对于Y轴从支架148向下延伸，并支撑微显示器116。上部156包括向上延伸的齿160和向下延伸的齿162。微显示器保持件150还包括向外延伸的翼片161，该翼片用于容纳在支架148的槽155中。

X齿轮152包括附接至轴166的用户操作部分164。轴166包括径向延伸的齿168，该齿用于与微显示器保持件150的向上延伸的齿160接合。Z齿轮154包括附接至轴172的用户操作部分170。轴172包括径向延伸的齿174，该齿用于与微显示器保持件150的向下延伸的齿162接合。

图18A至图18B描绘了微显示器机构108的装配。在所示装配阶段，微显示器116已经附接至微显示器保持件150的下部158。剩余步骤包括：

(1)将微显示器保持件150的上部156装配至支架148。此步骤包括将翼片161沿着Z轴容纳在槽155中。一旦翼片161完全容纳在槽155中，便将微显示器保持件150(以及由此微显示器116)相对于支架148的运动约束至沿着X轴和Z轴的用户操作运动，同时限制旋转运动。

(2)将Z齿轮轴172沿着X轴插入支架148的开口159。此插入的结果是，轴172的径向延伸的齿174与微显示器保持件150的向下延伸的齿162接合。

(3)将X齿轮轴166沿着Z轴插入支架148的开口157。此插入的结果是，轴166的径向延伸的齿168与微显示器保持件150的向上延伸的齿160接合。此接合在X齿轮152和微显示器保持件150的上部156之间形成齿条-齿轮作用。

图18C描绘了沿X轴和Z轴的处于完全装配形式的微显示器机构108。使X齿轮152(图18B)的用户操作部分164扭动，可使显示器116沿着X轴移动以调节瞳孔间距离(IPD)。操作Z齿轮154(图18B)的用户操作部分170，可使显示器116沿着Z轴移动以调节光路114的焦点。

整个微显示器机构108装入这样的套件，其在X方向上(左到右)小于40mm(毫米)，在Z方向上(沿着用户的视线)小于20mm，并在Y方向上(垂直于X和Z)小于30mm。在一个实施例中，微显示器装入这样的套件，其在X方向上小于35mm，在Z方向上小于15mm，并在Y方向上小于20mm。在另一示例性实施例中，微显示器机构的套件尺寸是：X方向上29mm，Z方向上13.9mm且Y方向上18mm。减小尺寸对这样的用户特别有利，该用户是将发现笨重的头戴式显示器令人讨厌的消费者。

图18D是微显示器机构108的后视图，其示出了X齿轮152的作用。微显示器保持件150的上部156和X齿轮152的轴166形成齿条-齿轮作用。此齿条-齿轮作用包括，轴166的径向延伸的齿168与上部156的向上延伸的齿160的接合。此接合允许轴166的旋转运动引起上部156在X方向上的直线运动。此齿条-齿轮布置允许扭动用户操作部分164，以使微显示器116沿着X轴前后平移，以将来自微显示器116的光束在X方向上与用户的瞳孔排成一行。从而，应用于左微显示器和右微显示器机构的此调节可调节IPD(瞳孔间距离)。

图18E描绘了微显示器保持件150的翼片161和支架148的槽155之间的接合，其约束微显示器保持件150的运动。该约束是沿着X和Z的直线运动。该接合响应于Z齿轮154的部分170的操作，约束微显示器保持件150到Z轴的运动。

图18F描绘了Z齿轮154在微显示器保持件150上的作用。部分170(图18E)的操作导致Z齿轮154的轴172旋转。Z齿轮154的径向延伸的齿174与微显示器保持件150的向下延伸的齿162接合，使得，轴172的旋转使微显示器保持件150沿着Z轴平移。微显示器保持件沿着Z轴的运动可调节从微显示器116到达用户眼睛的光线的焦点。

HMD装配方法

一种有效的设计和制造方法可提供一种非常紧凑的、尺寸精确的、尺寸稳定的且抗冲击的HMD。该设计包括刚性的且高模量的结构框架，其固定光学部件并对其提供稳定的支撑和对齐。将相对低模量的聚合物外框架装配至刚性内框架。外框架对安装至结构框架的部件提供防尘罩，该结构框架与太阳穴镜腿一起将HMD固定至用户的头部。外框架还提供复合结构，其通过与更高模量的内框架结合的相对低模量的外框架的组合来承受冲击。

光学部件包括微显示器和至少一个反射光学元件，其均刚性地固定至结构框架。在微显示器、该至少一个光学元件和用户的眼睛之间限定光路。在将结构框架容纳在外框架中并装配至外框架之前，将微显示器和该至少一个反射光学元件刚性地固定至结构框架。

在一个示例性实施例中，光学元件包括(1)一对复合镜片，每个镜片提供两个反射光学元件，它们形成光路的一部分，以及(2)第二镜子元件。这些镜片经由它们在结构框架上的对齐翼片和匹配基准面直接固定至结构框架。可用粘合剂将复合镜片和镜子元件固定至结构框架。

在一个示例性实施例中，将微显示器集成在微显示器机构中，其允许用户调节瞳孔间距离和焦点。通过将微显示器机构固定在形成于结构框架中的机械凹口中，将微显示器机构装配至结构框架。微显示器机构具有集成在其结构中的对齐翼片，该对齐翼片抵靠在结构框架的匹配基准面中。

此设计允许非常有效地装配HMD。该设计产生轻量的、小型的、精确的、尺寸稳定的且抗冲击的HMD，该HMD是任何现有设计中尚未实现的。

图19中描绘了HMD102的整体装配过程。根据176，装配外框架106。图20描绘了外框架组件的进一步细节。根据178，如相对于图18A和图18B讨论地装配微显示器机构108。根据180，将光学部件装配至图21中进一步详细示出的结构框架。根据182，如图22中描绘地总装HMD102。

步骤176和178不需要以任何特殊顺序进行。然而，步骤178需要在步骤180之前执行，步骤180需要在步骤182之前执行。

根据图20，另外详细地描绘了图19的步骤176，图20示出了用于装配外框架106的方法的一个示例性实例。此示例性方法包括以下步骤：

(1)将电致透光镜片184附接至框架106。镜片184用作防尘罩并用作一种调节可进入HMD102的光的方式。在一个实施例中，通过粘合剂固定镜片。

(2)将橡胶头185附接至太阳穴镜腿186。(3)将太阳穴镜腿186附接至外框架106。

已经相对于图18A和图18B描述了步骤178的一个示例性实施例。根据图21描绘了图19的步骤180，图21是一种用于将光学部件装配至结构框架134的示例性方法。所示方法包括以下步骤：

(1)将左右M2镜子126附接至安装件144。在一个示例性实施例中，用粘合剂附接镜子。

(2)将左右复合镜片146附接至框架134。在附接之后，复合镜片146分别覆盖一个开口140的一部分。在一个示例性实施例中，用粘合剂将镜片146固定至框架134。

(3)将左微显示器和右微显示器机构沿着Y轴分别降低至左右凹口142中。在装配之后，将支架148(图18A)的上表面暴露于每个凹口142上方，每个微显示器机构108的下部158(图18B)向下延伸至凹口142中。

根据图22描绘图19的步骤182，图22是一种示例性总装HMD102的方法。所示方法具有以下步骤：

(1)如根据图21装配的，将新装配的结构框架134容纳在外框架106中。根据图22，将结构框架134沿着Z轴容纳在外框架106中。在一个示例性实施例中，用粘合剂将结构框架固定至外框架106。

(2)将防尘罩188固定至外框架106的后侧。在一个示例性实施例中，用粘合剂将防尘罩188固定至外框架106。因为复合镜片146(图21)不完全覆盖开口140，所以前后防尘罩(未示出)188分别用于保护光路114的部件不受到灰尘和其他污染。

(3)将鼻梁架190附接至外框架106。(4)将鼻插入件192附接至鼻梁架190。鼻梁架190和鼻插入件192使得HMD102能够满足用户鼻子几何形状的较宽范围的个性化要求。

图23是结构框架的第一底视图，示出了从定位在根据一个实施例的在结构框架的有凹口的基准面定位安装件内的从光学元件伸出的翼片。

图24是结构框架的第二底视图，示出了从定位在根据一个实施例的在结构框架的有凹口的基准面定位安装件内的从光学元件伸出的翼片。

作为本领域的技术人员，从之前的详细描述中和从附图与权利要求书中将认识到，在不背离公开内容和权利要求书的范围的前提下，可对本发明的实施例进行修改和改变。

Claims (20)

1.一种头戴式显示装置，包括：

结构框架，所述结构框架大体沿着X轴和Y轴布置，以沿着Z轴观察时，所述X轴、所述Y轴和所述Z轴相互垂直；

微显示器，所述微显示器与所述结构框架耦接，并配置为沿着所述Z轴远离用户在基本上向前的方向上投射视觉内容；以及

具有反射光学表面的一个或多个光学元件的一个组，这些光学元件与所述结构框架耦接并分别定位在所述微显示器的前侧上，以将非瞳孔成形的光路上的光线束从所述微显示器反射性地引导至用户的眼睛，以对所述用户的眼睛提供图像，使得进入所述用户的眼睛的所述光线束的光线是基本上平行的，以当所述用户的瞳孔处于不同位置时所述图像对于所述用户都是可见的。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其中，所述光路没有光圈，使得在从所述微显示器到所述用户的眼睛的光路上没有所述光线束的光线会聚且翻转的位置。

3.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其中，所述光路将所述用户的眼睛用作光圈。

4.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其中，所述光路在所述微显示器和所述用户的眼睛之间交替地分散和会聚。

5.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其中，所述光学元件的所述一个组的反射光学表面交替地是凹的和凸的。

6.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其中，所述光学元件的所述一个组包括：

第一镜子，具有沿着所述Z轴面向基本上向后的方向的反射光学表面；

第二镜子，具有沿着所述Z轴面向基本上向前的方向的反射光学表面；以及

第三镜子，具有沿着所述Z轴面向基本上向后的方向的反射光学表面。

7.根据权利要求6所述的头戴式显示装置，其中，所述第一镜子和所述第三镜子的反射光学表面是凹的反射光学表面，所述第二镜子的反射光学表面是凸的反射光学表面。

8.根据权利要求6所述的头戴式显示装置，其中，所述第一镜子和所述第三镜子形成在复合光学元件中。

9.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，包括：

第二微显示器，所述第二微显示器与所述结构框架耦接，并配置为沿着所述Z轴远离所述用户在基本上向前的方向上投射视觉内容；以及

具有反射光学表面的一个或多个光学元件的第二组，这些光学元件与所述结构框架耦接，并分别定位在所述第二微显示器的前侧上，以将非瞳孔成形的第二光路上的第二光线束从所述第二微显示器反射性地引导至所述用户的第二只眼睛，以对所述用户的第二只眼睛提供第二图像，使得进入所述用户的第二眼睛的所述第二光线束的光线是基本上平行的，以当所述用户的第二瞳孔处于不同位置时所述第二图像对于所述用户都是可见的。

10.根据权利要求9所述的头戴式显示装置，其中，所述头戴式显示装置配置为，对于所述图像和所述第二图像的全重叠提供大于40度的视野，并对于所述图像和所述第二图像的零重叠提供大于80度的视野。

11.根据权利要求9所述的头戴式显示装置，其中，所述头戴式显示装置配置为，对于所述图像和所述第二图像的全重叠提供大于50度的视野，并对于所述图像和所述第二图像的零重叠提供大于100度的视野。

12.根据权利要求9所述的头戴式显示装置，其中，所述头戴式显示装置配置为，对于所述图像和所述第二图像的全重叠提供直至60度的视野，并对于所述图像和所述第二图像的零重叠提供直至120度的视野。

13.根据权利要求9所述的头戴式显示装置，其中，所述头戴式显示装置配置为，对于所述图像和所述第二图像的全重叠提供大于60度的视野，并对于所述图像和所述第二图像的零重叠提供大于120度的视野。

14.一种头戴式显示装置，包括：

结构框架，所述结构框架大体沿着X轴和Y轴布置，以当沿着Z轴观察时，所述X轴、所述Y轴和所述Z轴相互垂直；

左边的和右边的微显示器，所述微显示器与所述结构框架耦接，并配置为沿着所述Z轴远离用户在基本上向前的方向上投射视觉内容；以及

具有反射光学表面的一个或多个光学元件的左边的和右边的两个组，这些光学元件与所述结构框架耦接，并分别定位在左边的和右边的所述微显示器的前侧上，以将非瞳孔成形的光路上的光线束从左边的和右边的所述微显示器反射性地引导至所述用户的左眼和右眼，以对所述用户的左眼和右眼提供左图像和右图像；

其中，所述头戴式显示装置配置为，对于所述左图像和所述右图像的全重叠提供大于40度的视野，并对于所述左图像和所述右图像的零重叠提供大于80度的视野。

15.根据权利要求14所述的头戴式显示装置，其中，所述头戴式显示装置配置为，对于所述左图像和所述右图像的全重叠提供大于50度的视野，并对于所述左图像和所述右图像的零重叠提供大于100度的视野。

16.根据权利要求14所述的头戴式显示装置，其中，所述头戴式显示装置配置为，对于所述左图像和所述右图像的全重叠提供直至60度的视野，并对于所述左图像和所述右图像的零重叠提供直至120度的视野。

17.根据权利要求14所述的头戴式显示装置，其中，所述头戴式显示装置配置为，对于所述左图像和所述右图像的全重叠提供大于60度的视野，并对于所述左图像和所述右图像的零重叠提供大于120度的视野。

18.根据权利要求14所述的头戴式显示装置，其中，所述光路没有光圈，使得在从左边的和右边的所述微显示器到所述用户的左眼和右眼的光路上没有所述光线束的光线会聚且翻转的位置。

19.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其中，所述光路在左边的和右边的所述微显示器与所述用户的左眼和右眼之间交替地分散和会聚。

20.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其中，所述光学元件的左边的和右边的所述两个组的反射光学表面交替地是凹的和凸的。