CN106471418B - 用于头戴式装置的光机系统 - Google Patents

Abstract

公开了光机系统、组装方法和利用光机系统的装置。一个实例光机系统(100)包括光学外罩(200)；光学显示器(110)；和显示模块(300)。所述光学显示器(110)能够远离所述光学外罩(200)的第一开口端延伸，以向用户显示图像。显示模块(300)邻近所述光学外罩(200)的第二开口端定位。所述显示模块(300)可以被构造并且布置成将图像投影到所述光学显示器(110)上。所述显示模块进一步包括显示模块外罩，以及位于所述显示模块外罩内的模块显示器。所述光学外罩(200)可以被构造并且布置成将所述显示模块(300)联结到所述光学外罩(200)。所述显示模块(300)能够位于所述光学外罩(200)内并且与所述光学显示器(110)的第一表面间隔开预定距离。

Description

用于头戴式装置的光机系统

相关申请的交叉引用

本申请是2014年8月29日提交的美国专利申请No.14/472，984的继续申请，其公开内容在此通过引用并入。

背景技术

计算装置诸如个人计算机、膝上型计算机、平板计算机、蜂窝式电话和无数种能够使用互联网的装置在现代生活的多个方面中越来越普及。除了其它技术，朝向计算硬件、周边设备还有传感器、检测器以及图像和音频处理器小型化的趋势已经帮助开创了有时称作“可穿戴计算”的领域。特别地，在图像和视觉处理和产生领域，已经变得能够考虑可穿戴显示器，可穿戴显示器足够靠近穿戴者的(或者用户的)眼睛(一只或者两只)放置图形显示器，从而所显示的图像作为诸如可在传统的图像显示装置上显示的通常尺寸的图像出现。相关技术可以称作“近眼显示器”。

带有近眼显示器的计算装置还可以称作“可头戴式显示器”、“头戴式显示器”、“头戴式装置”或者“可头戴式装置”。可头戴式或者头戴式装置靠近穿戴者的其中一只眼睛或者两只眼睛放置图形显示器或者显示器。为了在显示器上产生图像，可以使用计算机处理系统。这种显示器可以占据穿戴者的整个视场，或者仅仅占据穿戴者的视场的一部分。此外，头戴式显示器可以改变尺寸，例如采取更小的形式，诸如眼镜式显示器。

光机系统用于容纳供用户在上面观察图像的显示器，并且与头戴式装置的其余部分连接和通信。对于在头戴式装置内实现的这种光机系统而言，在紧凑的容纳环境中精密光学部件与显示器和背灯/前灯的集成是首要的考虑。虽然已经取得进步，但是仍然需要改进的光机系统。

发明内容

通过给用户装置、诸如头戴式装置提供改进的光机系统和组装该光机系统的方法，在本申请中公开的示例性实施例能够解决上述考虑。为此，在本申请中公开的光机系统和在紧凑的装置内组装光机系统的方法能够提供最佳图像。在某些实例中，该光机系统能够提供改进的系统结构完整性、光学显示器和显示模块的精确定位、和针对环境提供保护的系统的保护性密封中的一项或者多项。应该理解，这些光机系统和方法还有结合这些系统和方法的装置不限于一个或者多个这样的改进并且可以进一步包括未明确地在这里讨论的另外的改进。

在本公开一个方面，一种组装用于头戴式装置的光机系统的方法包括将光学显示器联结到光学外罩的第一开口端；在光学外罩的第二开口端内定位显示模块；在位于光学外罩内时移动显示模块并且将显示模块紧固到光学外罩，从而显示模块和光学显示器相对于彼此被固定。显示模块能够将图像投影到光学显示器上并且可以在多达六个自由度上移动。显示模块能够相对于光学显示器在光学外罩内移动，从而延伸通过显示模块的第一轴线与延伸通过光学显示器的第二轴线相对准。

在这个方面的一个实施例中，显示模块可以进一步包括容纳至少一个显示模块的外罩。

在另一个实例中，将光学显示器紧固到光学外罩的步骤在对准显示模块的步骤之前发生。

在这个方面的另一个实例中，对准显示模块的步骤进一步包括移动显示模块，从而延伸通过显示模块的机械中心的第一中心轴线与延伸通过光学显示器的机械中心的第二中心轴线相对准。对准显示模块的步骤还能够进一步包括相对于第二中心轴线在预定公差内轴向对准显示模块的第一中心轴线。另外地是，第一和第二中心轴线可以进一步沿着水平平面对准。

在本公开这个方面的另一个实例中，在将显示模块紧固到光学外罩的步骤之前，相对于光学显示器并且在光学外罩内调节显示模块，从而获得具有选自包括亮度、清晰度、对比度、焦距和调制传递函数(“MTF”)的组中的至少一个预定图像质量的图像。对准显示模块的步骤也可以在调节显示模块的步骤之前发生。显示模块可以如下调节，从而亮度范围从1300到-1500尼特(nits)；对比率范围从70：1到100：1；最小3像素MTF等于30％；最小5像素MTF等于50％；并且最大畸变为3％。

在本公开这个方面的另一个实例中，显示模块可以如下调节，从而图像具有多于一个的预定图像质量。例如，可以仅仅针对两个预定图像质量、诸如亮度和MTF对图像进行调节，或者显示模块可以如下调节，从而所有的四个实例图像质量均得以实现。

在本公开这个方面的另一个实例中，可以在显示模块和光学外罩之间形成凹槽。可以将密封剂材料置放在凹槽内。

在另一个实例中，光机系统被密封，从而光机系统具有至少IP67的异物防护等级。

现在转向本公开另一个方面，一种用于头戴式装置的光机系统包括光学外罩、光学显示器，和显示模块。光学外罩可以包括第一开口端和第二开口端。光学显示器可以远离光学外罩的第一开口端延伸并且包括适于显示图像的第一表面。在光学显示器的某些实例中，光学显示器能够是具有矩形形状的透明棱镜。显示模块能够邻近光学外罩的第二开口端定位并且能够被构造和布置用以将图像投影到光学显示器上。光学外罩可以将光学外罩和显示模块联结到一起并且包括面对显示模块的第一表面。显示模块能够位于光学外罩内并且从光学显示器的第一表面间隔离开第一预定距离。光学外罩、光学显示器和显示模块还可以相对于彼此被固定。光学显示器的至少一部分可以位于光学外罩的外部。

在这个方面的另一个实例中，光学外罩可以包括面对光学显示器的第二表面。光学显示器能够位于光学外罩内并且从光学外罩的第一表面间隔离开第二预定距离。

在这个方面的另一个实例中，一定间隙可以位于显示模块的外表面和光学外罩的外表面之间。能够将密封剂置放在该间隙内。光机系统可以具有至少IP67的异物防护等级。

在这个方面的另一个实例中，光学外罩、光学显示器和显示模块进一步包括延伸通过这些构件的相应的机械中心的轴线。光学外罩、光学显示器和显示模块的轴线可以沿着水平平面轴向对准。

在本公开的又一个方面，一种头戴式装置组件包括中心框架支撑件和用于向用户显示图像的光机系统。中心框架支撑件可以包括远离框架支撑件的第一和第二端延伸的第一侧臂和第二侧臂。光机系统可以沿着水平方向延伸并且包括至少部分地在中心框架支撑件的前方延伸的伸长的光学显示器。光机系统可以进一步包括光学外罩、光学显示器和显示模块。光学外罩可以包括第一开口端和第二开口端。光学显示器可以远离光学外罩的第一开口端延伸并且可以在光学显示器的表面上显示图像。显示模块可以邻近光学外罩的第二开口端定位并且被构造和布置用以将图像投影到光学显示器上。显示模块可以进一步包括显示模块外罩。光学外罩将光学显示器和显示模块联结到一起。光学外罩可以具有面对显示模块的第一表面并且可以位于光学外罩内并且从光学显示器的第一表面间隔离开第一预定距离。

在这个方面的一个实例中，光机系统被至少部分地容纳在侧臂之一内。光机系统还可以被完全容纳在侧臂之一内并且侧臂可以被可移除地连接到中心框架支撑件。

附图说明

图1是根据本公开一个方面的实例光机系统的透视图。

图2是图1的实例光机系统的分解透视图。

图3A-3B是图1的实例光机系统的光学构件的第一和第二侧视图。

图4A-4B是图1的实例光机系统的光学外罩的透视图。

图5A是图1的实例光机系统的实例显示模块的透视图。

图5B是图5A的实例显示模块的分解透视图。

图5C是图5A的实例显示模块的截面视图。

图6是图1的实例光机系统的分解截面视图。

图7是图1的实例光机系统的部分组装截面视图。

图8是图1的光机系统的放大截面视图。

图9是根据本公开另一个方面的另一个实例光机系统的截面视图。

图10是根据本公开另一个方面的另一个实例光机系统的截面视图。

图11是根据本公开另一个方面的部分地组装起来的另一个实例光机系统的截面视图。

图12是根据本公开的方面的结合图1的实例光机系统的实例头戴式装置的透视图。

图13是图12的一部分的放大视图。

图14是根据本公开另一个方面的结合光机系统的另一个实例头戴式装置的透视图。

具体实施方式

在这里描述了实例方法和系统。应该理解的是，在这里使用了单词“实例”和“示例性”，用以意味着“作为一个实例、示例或者示意例”。在这里描述为“实例”或者“示例性”的任何实施例或者特征并不是必需被解释为相对于其它实施例或者特征而言是优选的或者有利的。在以下详细说明书中，对于形成说明书一部分的附图进行参考。在图中，类似的符号典型地识别类似的构件，除非上下文另有规定。在不偏离在这里提出的主题的精神或者范围的情况下，可以利用其它实施例，并且可以作出其它改变。

图1是能够在根据本公开的方面的头戴式显示器装置内实现的光机系统100的透视图。在该实例中，光机系统100能够向光学显示器110诸如棱镜120传输数据、信息或者图像，这些数据、信息或者图像能够然后由穿戴结合了光机系统100的头戴式装置(未示出)的用户观察。

参考图2，示出光机系统100的分解视图。在该实例中，光机系统100包括能够组装到一起的三个基本构件：(1)光学显示器110；(2)光学外罩200；和(3)显示模块300。在其它实例中，可以使用更少或者更多的构件形成系统100。例如，光学外罩200和显示模块300可以替代地被构造并且布置成单一的整体式构件，从而光机系统100包括仅仅两个基本构件。

转向图3A，光机系统100的第一构件是光学显示器110。在该实例中，光学显示器110可以是用于显示由显示模块(未示出)的电子构件产生的图像的棱镜120。棱镜120被构造用以在接收端124中接收投影图像并且通过观看棱镜120的用户观察侧而使得图像对于用户可视。这能够通过以特殊形状或者特定材料特性制造棱镜120而实现。例如，棱镜120可以是由玻璃和/或另一种透明或者半透明材料制成的透视式显示器，从而用户能够通过棱镜120观察他的/她的环境。

棱镜120是基本矩形形状的，但是在可替代实例中能够呈其它形状，诸如柱形、三角形或者锥形。棱镜120的第一端122具有弯曲或者圆化状表面126。表面126可以是能够重定向通过棱镜120行进的光的镜面表面。例如，表面126可以包括可以是反射镜的涂层或者其它局部反射性涂层诸如分层介质涂层。在该实例中，表面128是凹形的，但是在其它实例中，根据需要，接收表面128能够呈各种形状。例如，根据光学设计，接收表面128能够具有诸如凹形球形形状、凸形球形形状，或者自由曲面形状的光学形式。如最好地在图3B中看到的那样，接收端124进一步包括基本平面的并且围绕接收表面128延伸的表面130。边缘表面129(图3A)在表面128和表面130之间并且围绕棱镜120的表面130延伸。

如最好地在图2中看到的那样，重定向表面125能够位于接收表面128和端表面126之间。中间表面125可以相对于棱镜120的外表面127以一定角度延伸。表面128可以是平面的，但是还可以呈其它光学形式或者形状，从而以设计的方式对光重定向。

转回图3A所示实例，图像、数据或者信息能够被从显示模块投影到棱镜120上，它们然后被朝向用户的眼睛引导并且被聚焦到用户的视网膜上。棱镜120能够被如此配置，即：使得当棱镜120距眼睛定位于相对短的距离，诸如典型的用户眼睛不能直接地焦距的距离处时，用户能够观察所显示的数据或者信息。棱镜120能够进一步被如此配置，即：使得看起来像是大得多的图像在距用户的眼睛的距离远得多处定位。此外，棱镜120能够被配置为以超过向用户的眼睛投影期望图像所需要的距离的距离在用户的眼睛和用户的脸部的邻近于用户的眼睛的部分上横向地延伸。相应地，棱镜120能够包括是棱镜120的内表面132的、供所投影图像的聚焦光通过的那一部分的投影区域130。棱镜120的其余部分能够存在用以增加棱镜120的、供用户能够通过而看到他的或者她的周围环境的区域，并且特别地将头戴式装置(在这个视图中未示出)的外罩构件从用户的眼睛间隔开。在该实例中，棱镜120具有26mm的长度L。在另一个实例中，长度L的范围可以在10-45mm之间。在另外的其它实例中，根据总体设计，长度L可以更大或者更小。例如，长度L可以大于2mm。在另一个实例中，长度L可以小于10mm或者小于45mm。

接收表面128能够基本垂直于棱镜120的观察表面131，从而能够使用透明棱镜将投影图像与该装置的穿戴者周围的环境的视图组合起来。这允许用户观察周围环境和显示模块的图像这两者。棱镜120和处于显示模块300内的显示器电子装置(未示出)能够被配置为呈现不透明的或者半透明的图像，或其组合，以实现各种期望的图像组合。

回过来参考图2，光机系统的第二构件能够包括将光机系统100的构件联结到一起的间隔器或者光学外罩200。在该实例中，光学外罩200是光机系统100的中心构件。光学外罩200被示出位于棱镜120和显示模块300之间并且将这些构件连接到一起。光学外罩200具有用于接收棱镜120的第一开口端226和用于接收显示模块300的第二开口端228。光学外罩200能够进一步被设计用以相对于显示模块300精确地对准棱镜120，从而提供给用户的数据或者信息是锐利的并且清晰的。由于它的总体结构，光学外罩200能够吸收对系统100的冲击和振动负荷。

光学外罩200能够由各种材料制成。在一个实例中，光学外罩200由金属制成。由于钛的特性，例如通常是轻的、坚固的并且拥有类似于玻璃的热膨胀系数，钛是适合于制造光学外罩的金属的一个实例。在其它实例中，光学外罩可以由不同类型的金属或者合金，或者塑料或者聚合材料(包括但不限于聚醚醚酮(PEEK))制成。光学外罩200可以进一步包括涂层，以增强光学性能。例如，光学外罩200的内表面可以利用黑色涂覆，以最小化杂散光反射。

现在参考图4A-4B，更加详细地示出光学外罩200的特征。首先转向图4A，光学外罩200是包括顶表面202、底表面204，和在相应的顶表面和底表面202、204之间延伸的边缘表面205的基本正方形构件。能够将结构安装件结合到光学外罩200中，以在光学外罩200和光学组件外部的其它构件之间提供连接。例如，结构安装件208包括能够接收螺钉等以连接到头戴式装置系统中的其它构件的开口210。

光学外罩200的一侧旨在面向棱镜，并且光学外罩200的相对侧旨在面对显示模块。例如，光学外罩200的棱镜侧212面对棱镜120，并且外罩200的显示模块侧214面对显示模块。分隔器206能够将棱镜侧212与显示模块侧214分离。

图4A示意光学外罩200的第一开口端226和光学外罩200的棱镜侧212的特征。分隔器206包括能够面对棱镜的分隔器表面206A。分隔器表面206A远离顶表面202和底表面204向下延伸。内表面216A远离分隔器表面206A延伸并围绕光学外罩200的周围。前凸缘表面216远离相应的顶表面和底表面202、204还有边缘表面216A延伸。前侧边缘表面217邻近凸缘表面216并且还在凸缘表面216未延伸到的点处远离边缘表面216A延伸。开口218延伸通过光学外罩200。

图4B示意光学外罩200的第二开口端228以及从显示模块侧214的光学外罩200的特征。分隔器206的分隔器表面206B能够面对显示模块。分隔器206包括在分隔器表面206A和分隔器表面206B之间延伸的内边缘220。分隔器206远离外边缘224凹进，从而内边缘表面222在显示模块侧214处围绕光学外罩200的周围延伸。

现在参考光机系统100的第三构件，显示模块300的前视透视图在图5A中示出。显示模块300能够包括用于向棱镜的接收侧上产生图像或者数据的源。例如，显示模块300可以包括投影仪，其包括图像源，诸如液晶显示器(LCD)、阴极射线管(CRT)、前光反射显示器；背光透射显示器，和有机发光二极管(OLED)显示器，以在棱镜120的适当区域上聚焦图像。与显示模块300相关联的电子构件还能够包括用于使得投影仪基于所接收的视频信号产生期望图像的控制电路。

在该实例中，参考图5B，示出显示模块300的分解视图。在该实例中，示出显示模块300，显示模块300包括柔性电路302、LCD柔性电路304、背光子组件312，和显示子组件318。将在以下更加详细地描述这些构件中的每一个。

柔性电路302与背光子组件312和头戴式装置组件中的其它构件诸如电池、成像处理器等电连接。类似地，LCD柔性电路304在显示子组件318和整个头戴式装置之间电连接并且提供通信。根据需要，可以由柔性电路传送其它电信号或者电力。例如，快门、电驱动偏光器或者其它光源可以与LCD柔性电路304通信。

能够将背光子组件结合到显示模块300中，以为将向用户显示的数据、信息或者图像提供适当照明。例如，背光子组件312包括背光外罩306、背光管308，和光源314。

背光外罩306容纳背光子组件312的构件。在该实例中，背光子组件312的构件中的每一个被构造并且布置成配合在背光外罩306内。

光源314能够用于产生将遍布显示模块300行进的光。光源314可以是任何已知光源，诸如LED，并且能够进一步具有各种颜色，包括白色LED。光源的其它实例可以包括有机LED和无机LED。在该实例中，光源314紧邻背光管308定位并且进一步在背光管308的凹部309内适配。在其它实例中，光源314可以在光机系统100内位于别处或者在头戴式装置组件内位于别处。

背光子组件312的背光管308邻近背光外罩306定位并且帮助从光源314发出的光遍布显示模块300行进。反射器膜310邻近背光管308的表面308A定位并且邻近表面308B设置了准直膜311。反射器膜310反射逃逸到背光管308的背部的光并且通过背光管308返回式地对光重定向。光然后通过准直膜311被准直。背光间隔器316被邻近背光管308的表面308B设置并且包括开口317。来自背光管308的光能够行进通过间隔器316的开口317。

可以在显示模块300内设置显示子组件。在该实例中，显示子组件318能够包括另外的外罩，诸如LCD外罩324，还有提供能够经由投影仪(未示出)投影到棱镜120上以由用户看到的信息或者图像的显示器。在该实例中，LCD显示器平面320、322的两个平面构件被容纳在LCD外罩324内。显示器平面320可以是可以包括滤色片、液晶显示器或者玻璃的基板，例如硅。显示器平面322可以由包括玻璃的类似的材料构成。像平面321沿着在该两个LCD显示器320、322之间形成的平面定位。像平面321能够被视为代表数据的图像源。在其它实例中，可以利用一个或者多个显示器。LCD外罩324与背光外罩306相互连接，从而当与每一个内部构件一起连接时，形成了完整的显示模块300。

如所示那样，柔性电路304在背光子组件312上延伸并且与LCD外罩324相互连接和通信。柔性电路304能够提供用于将图像投影到显示器320、322上而言必要的数据或者信息。柔性电路304能够电连接到电路面板或者外部装置(诸如头戴式装置)的其它部分或者被添加到头戴式装置的主电子装置系统。LCD外罩324包括围绕开口327延伸的前表面326，还有远离前表面326延伸的边缘表面328。边缘表面330基本垂直于表面328延伸并且围绕LCD外罩324的周界延伸。在其它实例中，可以设置不同类型的显示器。例如，能够在该系统内实现硅基液晶(LCOS)显示器，替代背光，硅基液晶(LCOS)显示器可以替代地要求使用前光。

参考图5C，示出显示模块300的侧视截面视图。LCD外罩324被联结到背光外罩306，并且在该实例中，LCD外罩324与背光外罩306联锁。显示器平面320位于背光外罩306内，而显示器平面322被容纳在LCD显示器外罩324内。显示器320、322是错列的，从而显示器平面320的相应的底边缘和顶边缘320A、320B从显示器平面322的相应的底边缘和顶边缘322A、322B偏移。能够在显示器320、322处提供图像，该图像然后被投影到棱镜120上。

基于预期的LCD显示器320、322和棱镜120的最后的对准，LCD显示器320、322在显示模块300内的位置能够是预先确定的。在该实例中，如将在以下进一步详细解释的那样，当显示器320、322位于LCD外罩324内并且显示模块30被完全组装时，然后能够将完整的显示模块300联结到光学外罩200和棱镜120。在完成显示模块300的组装之前预先定位LCD显示器320、322使得依赖于显示模块300相对于光机系统的其余部分的总体定位而最后对准LCD显示器320、322。换言之，与要求一个或者多个显示器320、322或者其它构件在显示模块300内的重新调节或者各个对准相反，当显示模块300被完全组装时，显示模块300整体上能够相对于棱镜120和光学外罩200对准。

参考图6，示出光机系统100的每一个构件。当被组装到一起时，光路160从显示模块300通过棱镜120延伸到用户的视网膜上。光路160起初地是能够始于产生图像的显示模块300的像平面321处的基本笔直的或者直线路径，并且通过光学外罩200并且通过棱镜120行进。当光路160到达是镜面并且可能是异形的表面126时，表面126沿着棱镜重定向表面125向点158重定向光路160。光路160然后朝向眼睛离开表面127。光路160然后被重定向到用户的眼睛159。在该实例中，如所示那样，光路160的第一或者基本部分在显示器320、322和棱镜120的表面126之间沿着基本水平方向延伸。应该理解，通过控制这些各种各样的交界面的形状、光路的材料、这些构件的几何尺寸、这些构件的位置和用户的头部特征的几何形状，可以适当地设计并且实现光路沿着水平和竖直这两个方向到眼睛的期望的轨迹。

在组装期间，光机系统100的构件的对准能够使得向用户显示最佳的图像。光机系统100的每一个构件包括典型地处于通过构件的光路的中心上的基本光轴。在某些情形中，光轴可以处于延伸通过构件的机械中心的中心轴线上。例如，转向图7，示出棱镜120与光学外罩200构成的组件，棱镜120包括轴线A1，光学外罩200包括轴线A2，并且显示模块300包括轴线A3。轴线A3也延伸通过显示模块300的每一个构件的中心。在一个实例中，光机系统的构件沿着它们的相应的中心轴线的对准导致光机系统的构件的准确的对准。能够当这些构件的相应的轴线A1、A2、A3对准时实现棱镜120、光学外罩200和显示模块300的准确的对准。在该实例中，这些构件沿着轴线A1、A2、A3的对准也将沿着光路。

在其它实例中，轴线A1、A2、A3中的一条或者多条可以不位于相应的棱镜120、光学外罩200和显示模块300的机械中心内。在这些实例中，轴线A1、A2、A3可以替代地沿着棱镜120、光学外罩200和显示模块300的其它部分延伸。

现在描述光机系统的组装。在该实例中，棱镜120和光学外罩200在在该两个构件之间的交界面处被联结到一起。例如，仍然参考图7，棱镜120的表面130可以联结到光学外罩200的凸缘表面216。棱镜120的内边缘129被示出从光学外罩200的分隔器表面216A隔开，从而这些表面并不相互接触。类似地，棱镜120的边缘表面136从光学外罩200的边缘206A隔开。如所示那样，棱镜120和光学外罩200沿着它们的相应的轴线A1、A2对准。当联结到一起时，这两条轴线将是共线的，并且这些轴线还将沿着光路延伸。

棱镜120的表面136能够联结到光学外罩200的边缘216A。类似地，棱镜120的边缘129和光学外罩200的边缘216A能够被联结。在一个实例中，紧固材料150诸如胶合剂、粘结剂、其它环氧树脂或者其它联结材料能够在在边缘130、216之间的交界面处沉积。在另一个实例中，可以使用塑料激光焊接联结棱镜120和光学外罩200。在包括在这里描述某些实例的其它实例中，棱镜120的表面中的某些表面可以直接地接触光学外罩200，从而使用联结材料将光学外罩200和棱镜120紧固到一起可以是不必要的或者是可选的。

一旦棱镜120和光学外罩200被联结到一起，显示模块300便能够然后对准并且紧固到这些构件。在一个实例中，显示模块的轴线A3与轴线A2和A1相对准。为了获得最佳图像，显示模块300能够进一步相对于棱镜120移动，以实现使得投影到棱镜120上的图像/信息具有包括亮度、清晰度、焦距、对比度和其它期望的光学参数的一个或者多个特性的对准。在一个实例中，显示模块300可以主动地与棱镜120相对准，直至获得最佳结果。在其它实例中，显示模块300还可以主动地与光学外罩200相对准，直至获得最佳结果。

在组装期间，显示模块300被联结到光学外罩200，显示模块300能够相对于棱镜120和光学外罩200在多达至少六个自由度上移动。具体地，当显示模块300起初地被联结到光学外罩200并且位于光学外罩200的第二开口228内时，显示模块300自由地沿着三条垂直轴线(x、y、z)在光学外罩200内平移并且能够前/后、上/下或者左/右移动。这些移动还能够与围绕这三条垂直轴线中的每一条的旋转组合。显示模块300相对于光学外罩200以六个自由度移动的能力允许显示模块300的轴线A3相对于轴线A1、A2的准确对准。在该实例中，显示模块300的主动对准还相对于棱镜120对准显示器平面320、322中的每一个，从而能够实现包括亮度、清晰度和焦距中的一项或者多项的最佳光学特征。

对于实现最佳光学性能而言，显示模块300的轴线A3与轴线A2和A3的对准能够是关键性的。在该实例中，相对于光学外罩200和棱镜120，轴线A3的对准应该落入某个公差T内。在一个实例中，轴线A3在某个公差T内与轴线A1、A2相对准。在该实例中，公差T是±100微米。在其它实例中，可以基于光学设计实现或更大或更小的公差。例如，某些设计可以要求±10微米的公差，而在其它实例中，可能期望±500微米的公差。沿着z轴线在公差T内的轴线A3与轴线A1、A2的对准能够对于投影到棱镜120上并且向用户显示的图像的焦距具有实质性的影响。

在其它实例中，可能期望在不对准轴线A1和A2的情况下将棱镜120和光学外罩200联结到一起。可以基于在光学外罩200和棱镜120之间的几何匹配将棱镜120和光学外罩200联结到一起。例如，棱镜120和光学外罩200可以被加工，以匹配到一起或者相互联锁，从而使得轴线A1、A2的对准是不必要的。然后，可能期望仅仅相对于轴线A1或者A2中的任一条或这两条对准显示模块的轴线A3。

一旦轴线A1、A2、A3被对准，显示模块300便能够进一步被主动地对准或者调节，以实现更加增强的图像。在预期轴线A1、A2、A3的对准以产生期望的或者最佳的图像时，存在能够影响向用户显示的最终图像的很多可变因素。例如，棱镜120、光学外罩200和显示模块300可以被适当地加工以匹配到一起。在棱镜120、光学外罩200和显示模块300的加工中稍微的差异便可以导致并不产生最好的或者期望的图像的对准。在显示模块300内的显示器还必须在显示模块300内的特定位置处对准。即便显示模块300的机械中心与光学外罩200和棱镜120的机械中心相对准，显示器平面320、322在显示模块300内的不正确的对准仍然可以产生有缺陷的图像。这些和其它的多个变量能够影响轴线A1、A2、A3的对准和/或最佳图像的产生。为了对于这样的变量加以考虑，能够进行显示模块300的进一步的调节。

显示模块300能够被进一步调节，以改进图像的一个或者多个质量，诸如亮度、清晰度、焦距、对比度和MTF。该调节可以是通过用户主动地监视各种图像质量直至获得预定图像质量(一个或者多个)而人工地执行的调节。用户还可以这样调节显示模块300：通过观察投影到棱镜120上的图像并且基于用户对于图像的视觉感知而进一步调节显示模块300直至用户满意该图像。显示模块300的调节还可以是自动化的，从而机器或者装置基于一个或者多个预定图像质量进一步调节显示模块300。

在一个实例中，可以相对于光学外罩200和棱镜120调节显示模块300，直至获得一个或者多个以下图像质量：范围从1300-1500尼特的亮度；70：1到100：1的对比率；等于30％的最小3像素MTF；和等于50％的最小5像素MTF；和3％的最大畸变。还在本公开的范围内考虑了调节显示模块300以提供在这些实例范围或者值以外的图像质量。此外，可以期望这些图像质量的组合。例如，可以期望仅仅针对以下进行调节：亮度和对比度或者MTF和畸变，或者这些或者未在这里特意地指出的其它图像质量的任何组合。

在其它实例中，可能期望仅仅相对于光学外罩200和棱镜120调节显示模块300，以改进图像的质量，而无需首先对准轴线A3与轴线A1和A2。例如，可以在不执行对准轴线A3与轴线A1或者A2的这一另外的步骤的情况下将显示模块300与光学外罩200联结。在这种实例中，显示模块300可以被联结到光学外罩200并且然后关于一个或者多个图像质量诸如亮度、清晰度、焦距、对比度、畸变和MTF进行调节。

参考图8，示出光机组件100的完全组装部分的放大视图。为了允许显示模块300相对于光学外罩200和光学显示器之一或这两者的主动对准，能够在光机系统100的构件之间设置间隙。例如，能够在显示模块300和光学外罩200之间设置间隙。如所示那样，间隙C1A、C1B位于光学外罩200的内边缘222和显示模块300的LCD外罩324的边缘表面328之间。间隙C1A和C1B的范围能够在0mm-0.5mm之间。在其它实例中，该间隙范围可以在0.1mm-0.5mm之间或者可以替代地范围在0.5mm-3mm之间。在另外的其它实例中，间隙C1A和C1B能够大于0.1mm或者大于0.5mm。间隙C2位于光学外罩200的表面206B和显示模块300的LCD外罩324的边缘表面326之间。间隙C2的范围能够在0mm-0.5mm之间。类似于间隙C1A和C1B，在其它实例中，间隙的范围可以在0.1mm-0.5mm之间或者可以替代地范围在0.5mm-3mm之间。在另外的其它实例中，C1A和C1B能够大于0.1mm或者大于0.5mm。这些间隙提供了对于调节显示模块300并且以多达六个自由度相对于棱镜120移动显示模块300直至在构件之间的对准提供包括但不限于亮度、清晰度、对比度和焦距中的一项或者多项的最佳结果而言必要的空间。能够通过组合轴线A1、A2、A3的轴向对准和显示模块300相对于光学外罩200和棱镜120的进一步的人工调节而获得最佳图像。在另一个实例中，能够通过仅仅人工地相对于光学外罩200和棱镜120调节显示模块300而获得最佳图像。

当显示模块300相对于棱镜120的期望的对准得以确定时，能够将显示模块300紧固到光学外罩200。在一个实例中，可以在在显示模块300和光学外罩200之间的交界面处设置紧固材料。例如，能够沿着显示模块300的边缘表面328和光学外罩200的内边缘222设置紧固材料。类似地，能够在处于光学外罩200的分隔器表面206B和显示模块300的边缘326之间的交界面处设置紧固材料。紧固材料能够是胶合剂、粘结剂、环氧树脂，或者能够将显示模块300和光学外罩200紧固到一起的其它材料。在该实例中，显示模块300和棱镜120将因此相对于彼此被固定。

一旦构件(即，棱镜120、光学外罩200和显示模块300)被组装到一起，光机系统100便能够被密封。构件的密封是期望的，以保护光机系统的完整性。例如，密封能够允许光机系统防水并且防止尘土或者颗粒引起污染。

能够使用置放在光学外罩和显示模块之间的密封材料来密封光机系统100。例如，由于构件的配对，能够在光学外罩200和显示模块300之间形成填充有密封材料(未示出)的至少一个凹槽350。如所示那样，在显示模块300的边缘330和光学外罩200的边缘224之间形成凹槽350。能够在凹槽350内设置任何密封材料352，诸如粘结剂，包括紫外线可固化粘结剂、RTV硅树脂粘结剂，和环氧树脂，诸如双组分环氧树脂。可替代地，可以在凹槽350内放置O型环等。

由于光机系统的构造和布置，还有密封剂材料的使用，能够密封该光机系统。在一个实例中，能够实现具有IP67的异物防护等级的光机系统，这允许整体防尘和深度在15cm-1m之间的在水或者流体中的浸没。在其它实例中，IP等级能够变化。例如，IP等级可以高达IP69K或者低于IP67。

现在转向图9，示出另一个实例光机系统100'。除了显示模块300'被动地与棱镜120'相对准之外，这个实例类似于以前的实例。因此，将使用类似的附图标记描述类似的特征。在组装光机系统100'期间，被动对准允许光机系统100'的构件的准确的对准，而无需人工地调节一个或者多个构件，以获得期望的对准和/或最佳光学特性。通过最小化在组装系统100'期间对于调节一个或者多个构件的需要，光机系统100的组装能够自动化。

在被动对准的一个实例中，光机系统100的每一个构件被制造为匹配到一起，从而每一个构件的中心轴线A1'、A2'、A3'在组装时自动地对准。例如，在光学外罩200'和显示模块300'之间的匹配，还有在棱镜120'和光学外罩200'之间的匹配可以是更加准确的，从而在这些构件之间设置的间隙是可以忽略的。例如，可以在该系统中实现在±50微米的量级上的间隙。这能够帮助防止当显示模块300'和光学外罩200'该两个构件被联结到一起时，显示模块300'在光学装置外罩200'内的任何进一步的移动，还防止棱镜120'在光学外罩200'内的进一步移动。在组装时为这些构件中的一个或者多个提供准确的位置确保了在组装完成时这些构件正确地对准。这继而能够为光机系统提供最佳光学性质。

当光学外罩200'和显示模块300'被联结到一起时，不要求任何进一步的调节或者对准。在该实例中，显示模块300'的边缘328'紧邻光学外罩200'的边缘224'，并且可以在这两个边缘224'、328'之间设置可以忽略的间隙。类似地，可能进一步期望显示模块300'的前表面326'和光学外罩200'的表面206B'被直接地联结到一起并且在这两个构件之间设置可以忽略的间隙。在被动对准的一个实例中，能够如此设计构件，即：使得它们一起卡扣配合。能够使用用于将两种材料联结到一起的紧固材料诸如胶合剂、粘结剂、环氧树脂或者任何材料，以进一步将这些构件紧固到一起。

图10示意出能够结合到头戴式显示器中的光机系统500的另一个概略实例。在该实例中，光机系统500包括棱镜120″、光学外罩100″，和显示模块300″。

光学外罩200″是能够用于连接并且对准棱镜120″和显示模块300″的中心结构。光学外罩200″包括将显示模块300″与棱镜120″分离的分隔器206″。分隔器206″包括面对棱镜120的第一表面206A″，还有面对显示模块300'的第二表面206B'。光学外罩200″被如此构造和布置，即：使得整个显示模块300″被容纳在光学外罩200″内。还在分隔器表面206A″和第一外表面224″之间在光学外罩200″内设置了联锁凹部230。

显示模块300″是由不同于在前面讨论的显示模块300的体系构成的。在该实例中，利用了硅基液晶(LCOS)体系。如所示的那样，棱镜120″被设置在显示模块300″的背部或者后部处并且遍布显示模块300″使用前光。如所示那样，显示模块300″包括供显示模块300″的其它构件进行附接的显示模块背衬334。显示模块300″进一步包括与光学外罩200″中的凹部230联锁以将显示模块300″紧固到光学外罩200″的凸缘336。

如所示那样，能够在连接到光学外罩200″的构件之间设置可以忽略的间隙。棱镜120″紧邻光学外罩200″的第一表面206A″。如所示那样，无任何间隙或者仅仅可以忽略的间隙被设置在棱镜120″的边缘表面128″和光学外罩200″的表面206A″之间。显示模块背衬338紧挨邻靠光学外罩200″的第一外表面224″。因为显示模块300″的其它构件被附接到显示模块背衬338，所以显示模块300″的其余部分被如此定位，即：使得它将精确地与光学外罩200″和棱镜120″相对准。显示模块300″和棱镜120″能够卡扣到光学外罩200″中，从而显示模块300″的进一步的调节是不可能的。

在可替代实例中，光学外罩和显示模块可以形成为一个单元。在这种实例中，如在图11中所示，替代独立的光学外罩，能够作为一个单元制造显示模块和光学外罩，以形成整体式显示器外罩模块360。可以然后将显示器外罩模块360与棱镜120″'联结到一起，以形成光机系统370。在该实例中，光机系统将由两个基本构件即显示器外罩模块360和棱镜120″'构成。如果期望主动对准，则能够在棱镜120″'和显示器外罩模块360之间设置间隙，以允许棱镜120″'相对于显示器外罩模块360移动。在另一个实例中，如果期望被动对准，则在棱镜120″'和显示器外罩模块500之间的匹配能够是更加准确的，从而设置最小的间隙至不设置间隙。棱镜120″'能够替代地卡扣到显示器外罩模块400中并且实现预定的匹配和对准。在另一个实例中，光学显示器诸如棱镜120″'能够与光学外罩一体地形成，并且然后仅仅需要将显示模块与其连接起来。

参考图12，示出能够结合图1的光机系统100的头戴式装置400的一个实例。头戴式装置400能够接收、传输并且显示数据。头戴式装置400是拥有类似于传统的一副眼镜或者太阳镜的总体外观的眼镜式头戴式装置的一个实例。然而，能够另外地或者可替代地使用其它类型的头戴式装置。

应该理解，对于眼镜架或者一副眼镜的参考在这里不限于任何一种类型的眼镜或者眼睛佩戴装置，而是能够包括处方和非处方太阳镜、处方和非处方眼镜，或者能够用于头戴式装置的任何类型的眼睛佩戴装置或者可以或者可以不包括透镜的眼睛佩戴装置组件。为了便于讨论，将对眼镜架或者眼镜进行参考，但是应该理解的是，这种说明能够适用于所有类型的眼睛佩戴装置。另外地，对于透镜元件或者透镜的参考能够指处方透镜、非处方透镜、染色透镜或者用户可以期望的任何类型的透镜。

头戴式装置400由几个构件构成，包括透镜框架404、406、中间框架支撑件408、透镜元件410、412，和远离透镜框架406延伸的第一侧臂或者框架臂402。透镜元件410、412还有中心框架支撑件408的组合形成一体式中心框架支撑件401。透镜框架404、406和框架臂402每一个均可以由塑料和/或金属的实心结构形成，或者可以是类似材料的中空结构。还在本申请的范围内考虑了其它材料。

头戴式装置400进一步包括远离透镜框架406延伸的第二侧臂或者光学臂416。在该实例中，光学臂416容纳头戴式装置400的所有的电子构件。例如，光学臂416可以容纳用于操作该装置的电路、电池、处理器、扬声器、音频装置等。在其它实施例中，这些构件中的某些可以位于包括中心框架支撑件401的头戴式装置的其它部分中。光学臂416还可以包括透光孔(未示出)和能够捕捉静止和视频图像这两者的面向外的成像装置407，诸如照相机。

框架臂402和光学臂416将头戴式装置400紧固到用户的头部。在该实例中，框架臂402沿着远离透镜框架406的外边缘413的方向延伸并且设计成匹配在用户的耳朵上，以将头戴式装置400紧固到用户的头部的一侧。如所示那样，中心框架支撑件401通过点413、415沿着平面P1水平地延伸。棱镜120'还有光机系统(未示出)的其余部分在中心框架支撑件401的前方并且沿着能够与平面P1交叉的水平平面P2延伸。在其它实施例中，棱镜120和光机系统100可以处于平行于P1的平面中。

光学臂416能够可移除地连接到透镜框架404的相对的外边缘415。光学臂416被构造并且布置成匹配在用户的一只耳朵上，以帮助将头戴式装置400紧固到用户的头部的另一侧。光学臂416和框架臂402可以进一步通过围绕用户的头部的后部延伸的光学臂416和框架臂402中的任一个或者这两者将头戴式装置400紧固到用户。

光学臂416能够包括光机系统100。参考图13，示出图12的放大部分的顶视图。特别地，光学臂416的透视视图示意根据本公开的方面机械连接并且电连接到头戴式装置400的其它构件的实例光机系统100。光机系统100被示出位于光学臂416的前端处，从而棱镜120能够直接地位于用户的视线中。在该实例中，光学外罩200和显示模块300位于光学臂416的外罩200内，但是在其它实例中，系统100能够部分地或者完全地位于光学臂416的外部。光机系统100机械连接并且电连接到头戴式装置400的其它构件。能够将托架440安装到光学外罩220，以将光机系统100紧固到头戴式装置。通过光机系统100的柔性电路(未示出)，系统100能够如下面所讨论的那样与包括机载计算系统的头戴式装置400的其它构件电连接。

头戴式装置400可以包括机载计算系统。在一个实例中，机载计算系统(未示出)被容纳在光学臂416内。这种计算系统例如可以包括处理器和存储器。机载计算系统可以被配置为接收并且分析来自成像装置107和/或在头戴式装置400内或者安装到头戴式装置400或者与头戴式装置400通信的任何其它装置的数据。

现在参考图14，示出能够利用根据本公开的方面的光机系统(未示出)的头戴式装置400'的另一个实例。这个头戴式装置是带式头戴式装置。如所示那样，头戴式装置400'包括连接到光学臂416'的带460。光学臂416'与关于图12讨论的光学臂416相同，并且能够容纳在这里所公开的光机系统。框架臂402'被示为连接到前或者中心框架支撑件401'的前端413'，并且光学臂416'被示为连接到中心框架支撑件401。框架臂402'和光学臂416'形成能够在用户的头部上佩戴的总体U形的组件。

在这里描述的示例性实施例并非意在是限制性的。将易于理解，如通常在这里描述并且在图中示意的那样，能够以各种广泛不同的配置来布置、替代、组合、分离和设计本公开的方面，所有配置都明确地在这里考虑了。

除非另有声明，前面的可替代实例不是相互排斥的，而是可以以各种组合实施，从而实现独特的优点。因为能够在不偏离由权利要求书限定的主题的情况下利用以上讨论的特征的这些和其它变型和组合，所以实施例的前面的说明应该被以示意性的方式理解，而非限制由权利要求书限定的主题。另外，提供在这里描述的实例，还有如“在该实例中”、“例如”“诸如”、“包括”等措辞的语句不应该被解释为将权利要求书的主题限制于具体实例；而是相反，这些实例旨在示意很多可能的实施例中的仅仅一个。此外，不同附图中的相同的附图标记能够识别相同或者类似的元件。

Claims (20)

1.一种组装用于头戴式装置的光机系统的方法，所述方法包括：

将光学显示器联结到光学外罩的第一开口端，其中所述光学显示器被配置为位于用户的眼睛前方并且向所述用户显示通过所述光学外罩投影到所述光学显示器的图像；

将显示模块的至少一部分定位在所述光学外罩的第二开口端内，所述显示模块被配置来将所述图像投影到所述光学显示器上；

在所述显示模块的至少一部分位于所述光学外罩内的同时相对于所述光学显示器移动所述显示模块，从而延伸通过所述显示模块的第一轴线与延伸通过所述光学显示器的第二轴线相对准，其中所述显示模块在六个自由度上移动；并且

将所述显示模块紧固到所述光学外罩，从而延伸通过所述显示模块的第一轴线和延伸通过所述光学显示器的第二轴线相对准并且所述显示模块与所述光学显示器相对于彼此被固定。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在对准所述显示模块的步骤之前，将所述光学显示器紧固到所述光学外罩。

3.根据权利要求1所述的方法，其中对准所述显示模块的步骤包括移动所述显示模块，从而延伸通过所述显示模块的机械中心的第一中心轴线与延伸通过所述光学显示器的机械中心的第二中心轴线相对准。

4.根据权利要求3所述的方法，其中对准所述显示模块的步骤进一步包括关于所述第二中心轴线在预定公差内轴向对准显示模块的所述第一中心轴线。

5.根据权利要求4所述的方法，其中对准所述第一中心轴线和第二中心轴线的步骤包括沿着水平平面对准所述第一中心轴线和第二中心轴线。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在将所述显示模块紧固到所述光学外罩的步骤之前，相对于所述光学显示器并且在所述光学外罩内调节所述显示模块，从而获得具有选自包括亮度、清晰度、对比度、焦距、调制传递函数(MTF)和畸变的组中的至少一个预定图像质量的图像。

7.根据权利要求6所述的方法，其中对准所述显示模块的步骤在调节所述显示模块的步骤之前发生。

8.根据权利要求5所述的方法，其中亮度范围从1300-1500尼特；对比率范围从70：1到100：1；最小3像素MTF等于30％；最小5像素MTF等于50％；并且最大畸变为3％。

9.根据权利要求6所述的方法，其中所述显示模块被调节，从而所述图像具有多于一个预定质量。

10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述显示模块和所述光学外罩之间形成凹槽，并且在所述凹槽内置放密封剂材料。

11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括密封所述光机系统，从而所述光机系统具有至少IP67的异物防护等级。

12.根据权利要求1所述的方法，其中移动所述显示模块发生在紧固所述显示模块之前，并且其中在六个自由度上移动所述显示模块改变由所述显示模块生成的所投影的图像的至少一个图像质量，所述至少一个图像质量选自包括亮度、清晰度、对比度、焦距、调制传递函数(MTF)和畸变的组。

13.一种用于头戴式装置的光机系统，所述系统包括：

具有第一开口端、第二开口端、以及位于所述第二开口端内的内表面的光学外罩；

邻近所述光学外罩的所述第一开口端定位并且远离所述光学外罩的所述第一开口端延伸的光学显示器，所述光学显示器包括适于向用户显示被投影在所述光学显示器上的图像的第一表面，所述光学显示器被配置为位于用户的眼睛前方；和

邻近所述光学外罩的所述第二开口端定位的显示模块，所述显示模块具有部分地位于所述光学外罩内的第一外表面，所述显示模块被构造并且布置用以将所述图像投影到所述光学显示器上，

其中所述光学外罩将所述光学显示器和所述显示模块联结到一起，并且其中所述显示模块的所述第一外表面与所述光学外罩的所述内表面间隔离开第一预定距离，所述第一预定距离足以允许所述显示模块在所述光学外罩内在六个自由度上的移动，从而延伸通过所述显示模块的第一轴线能够与延伸通过所述光学显示器的第二轴线相对准。

14.根据权利要求13所述的光机系统，其中所述光学外罩包括面对所述光学显示器的第二表面，所述光学显示器至少部分地位于所述光学外罩内并且与所述光学外罩的所述第二表面间隔离开第二预定距离。

15.根据权利要求13所述的光机系统，进一步包括位于所述显示模块的外表面和所述光学外罩的外表面之间的间隙；和置放在所述间隙内的密封剂，其中所述光机系统具有至少IP67的异物防护等级。

16.根据权利要求13所述的光机系统，其中所述光学外罩、光学显示器和显示模块相对于彼此被固定。

17.根据权利要求13所述的光机系统，其中所述光学外罩、所述光学显示器和所述显示模块每一个进一步包括延伸通过其相应的机械中心的轴线，且所述光学外罩、光学显示器和显示模块的相应轴线沿着水平平面轴向对准。

18.一种头戴式装置组件，包括：

中心框架支撑件，具有远离所述框架支撑件的第一端和第二端延伸的第一侧臂和第二侧臂；和

用于向用户显示图像的光机系统，所述光机系统沿着水平方向延伸并且包括在所述中心框架支撑件的前方延伸的伸长的光学显示器，所述光机系统进一步包括：

具有第一开口端和第二开口端的光学外罩；

邻近所述光学外罩的所述第一开口端定位并且远离所述光学外罩的所述第一开口端延伸的光学显示器，所述光学显示器显示被投影到所述光学显示器的表面上的图像；和

邻近所述光学外罩的所述第二开口端定位的显示模块，所述显示模块被构造并且布置用以将所述图像投影到所述光学显示器上，所述显示模块进一步包括显示模块外罩，

其中所述光学外罩将所述光学显示器和显示模块联结到一起，并且其中所述光学外罩具有面对所述显示模块的第一内表面，所述显示模块外罩的前表面位于所述光学外罩内并且与所述光学外罩的所述第一内表面间隔离开第一预定距离；以及

其中所述第一预定距离足以允许所述显示模块在所述光学外罩内在六个自由度上的移动，从而延伸通过所述显示模块的第一轴线能够与延伸通过所述光学显示器的第二轴线相对准。

19.根据权利要求18所述的头戴式装置组件，其中所述光机系统被至少部分地容纳在所述侧臂中的一个内。

20.根据权利要求19所述的头戴式装置组件，其中所述光机系统被完全地容纳在所述侧臂中的所述一个内并且在所述侧臂中的所述一个被可移除地连接到所述中心框架支撑件。