CN107003520A

CN107003520A - 透视显示器光学结构

Info

Publication number: CN107003520A
Application number: CN201580054025.2A
Authority: CN
Inventors: D·易; J·胡德曼
Original assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Current assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2015-10-01
Publication date: 2017-08-01
Also published as: US20160097929A1; WO2016054341A1; KR20170065631A; EP3201658A1

Abstract

提供了一种可在透视头戴式显示装备中使用的光学结构。第一和第二部分反射和透射元件被配置为经由光学元件接收任何数量的光源的输出。沿着设备的佩戴者的光学查看轴定位每个反射和透射元件，其中各元件之间具有气隙。每个反射和透射元件都具有位于与光学查看轴成离轴关系的几何轴。离轴关系可包括一个或两个元件的几何轴相对于光学查看轴成一定角度和/或相对于光学查看轴垂直地位移。

Description

透视显示器光学结构

背景

透视、增强现实显示设备系统使得用户能够观察覆盖在物理场景上的信息。为了实现脱手的用户交互，透视、混合现实显示设备系统可包括透视光学元件。透视显示器的传统方法在光学设计和美学方面有许多挑战。对于透视显示器而言，光学元件必须被折叠以使得当显示器不在视野中时仍将显示器折叠到瞳孔的视野中，使得可同时看到真实世界和显示器。

诸如棱镜之类的体光学元件向用户提供了扭曲的视野以及审美上令人不悦的外表。

概述

该技术包括一种透视头戴式显示装备，其包括允许将光源显示器的输出叠加在佩戴者的外部环境的视野上的光学结构。可将多个不同光源中的任何一个的图像输出提供给邻近显示器定位的光学元件以接收输出。第一和第二部分反射和透射元件被配置为接收来自光学元件的输出。沿着设备的佩戴者的光学查看轴定位每个部分反射和透射元件，其中各元件之间具有气隙。每个部分反射和透射元件都具有位于与光学查看轴成离轴关系的几何轴。离轴关系可包括一个或两个元件的几何轴相对于光学查看轴成一定角度和/或相对于光学查看轴垂直地位移。

本概述并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，亦非旨在用作辅助确定所要求保护的主题的范围。

附图简述

图1是描绘透视、混合现实显示设备系统的一个实施例的示例组件的框图。

图2A是被具体化为提供对硬件和软件组件的支持的眼镜的透视、混合现实显示设备的实施例中的光学结构的镜架的眼镜腿的侧视图。

图2B是透视、近眼、混合现实设备的集成眼睛跟踪和显示光学系统以及光学结构的实施例的顶视图。

图3A是可以用于一个或多个实施例的透视、近眼、混合现实显示设备的硬件和软件组件的一个实施例的框图。

图3B是描述处理单元的各组件的框图。

图4A例示出了根据本技术的光学结构的透视图。

图4B是光学结构的第二透视图。

图4C是光学结构的顶视平面图。

图5A是例示出本技术的光学结构的光线追踪的侧视图。

图5B是例示出本技术的光学结构的偏移光学轴的第二侧视图。

图6是例示出根据本技术的透视光学显示器的性能的失真图。

图7是本技术的调制传递函数(MTF)曲线的图。

图8A和8B分别示出了根据本技术形成的光学结构的场曲率和失真。

图9和图10是根据本技术形成的两种替换光学结构的侧视图。

详细描述

技术提供了一种透视头戴式显示装备，其包括允许将光源显示器的输出叠加在佩戴者的外部环境的视野上的光学结构。可将多个不同光源中的任何一个的图像输出提供给邻近显示器定位的光学元件以接收输出。第一和第二部分反射和透射元件被配置为接收来自光学元件的输出。每个部分反射和透射元件可以是非球面的，并且处于相对于设备的佩戴者的光学查看轴的离轴位置处，其中各元件之间具有气隙。每个部分反射和透射元件都具适于与佩戴者的光学查看轴成偏移关系的几何轴。

图1是描绘透视、混合现实显示设备系统的一个实施例的示例组件的框图。系统8包括作为与处理单元4进行通信的近眼、头戴式显示设备2的透视显示设备。在其他实施例中，头戴式显示设备2将处理单元4纳入自包含单元中。处理单元4可采取除了自包含单元之外的各种实施例。例如，处理单元4可被实现在如智能手机、平板或膝上型计算机之类的移动设备中。在一些实施例中，处理单元4是可以佩戴在用户的身体(例如，在所示示例中的腕)上或置于口袋中的分开的单元，并且包括用于操作近眼显示设备2的计算能力中的大部分能力。处理单元4可与不论是本示例中位于附近的还是处在远程位置的一个或多个中枢计算系统12在通信网络50上无线地(例如，WiFi、蓝牙、红外、RFID传输、无线通用串行总线(WUSB)、蜂窝、3G、4G或其他无线通信装置)进行通信。在其他实施例中，处理单元4的功能可被集成在显示设备2的软件和硬件组件中。

头戴式显示设备2(在一个实施例中它是带镜架115的眼镜的形状)被佩戴在用户的头上，使得用户能够透视显示器(在本示例中该显示器被实现为用于每一只眼睛的显示光学结构14)，并且从而具有用户前面的空间的实际直接视图。

使用术语“实际直接视图”来指直接用人眼看到真实世界对象，而非看到对象的经创建的图像表示的能力。例如，透过房间的玻璃看允许用户得到该房间的实际直接视图，而观看电视机上的房间的视频并不是该房间的实际直接视图。基于执行软件(例如，游戏应用)的上下文，该系统可在显示器上投影虚拟对象的图像(有时被称为虚拟图像)，虚拟对象的图像可由佩戴透视显示设备的人观看，同时该人还透过显示器观看真实世界对象。

镜架115提供用于将该系统的各元件保持在原位的支承体以及用于电连接的管道。在该实施例中，镜架115提供便利的眼镜架作为对下面进一步讨论的该系统的各元件的支承。在其他实施例中，可以使用其他支承结构。这样的结构的示例是面罩(visor)或护目镜。镜架115包括用于搁置在用户的每只耳朵上的镜腿或侧臂。镜腿102代表右镜腿的实施例，并且包括显示设备2的控制电路136。镜架115的鼻梁104包括用于记录声音并向处理单元4传送音频数据的话筒110。

在图2-5B和9-10所例示的各实施例中，图1所例示的镜架115未被例示出或仅部分地被例示出，以便更好地例示系统的光学部件。

图2A是被具体化为提供对硬件和软件组件的支持的眼镜的透视、混合现实显示设备的实施例中的镜架115的眼镜腿102的侧视图。

在镜架115的前部是朝向物理环境或朝向外部的视频相机113，其可捕捉被传送到处理单元4的视频和静态图像。来自相机的数据可被发送到控制电路136(图3A)的处理器210、或处理单元4或者这两者，它们可处理数据，然而单元4也可将数据通过网络50发送到一个或多个计算机系统12用于处理。该处理标识并映射用户的真实世界视野。

控制电路136提供支持头戴式显示设备2的其他组件的各种电子装置。控制电路136的更多细节在下文参照图3A提供。在镜腿102内部或被安装到镜腿102的有耳机130、惯性传感器132、GPS收发机144以及温度传感器138。在一个实施例中，惯性传感器132包括三轴磁力计132A、三轴陀螺仪132B、以及三轴加速度计132C。(参见图3A)。惯性传感器用于感测头戴式显示器设备2的位置、朝向，以及突然加速。根据这些移动，头部位置同样可被确定。

图2B是透视、近眼、增强或混合现实设备的显示光学结构14的实施例的顶视图。光学结构14将显示器120的输出传送给佩戴者的任何一只眼睛140。近眼显示设备2的镜架115的一部分将环绕显示光学结构14以提供对如本文和以下图中所例示的一个或多个光学元件(150、124、126)的支持以及以造成电连接。为了示出头戴式显示设备2中的显示光学结构14(在该情况下是右眼系统14r)的各个组件，围绕显示光学系统的镜架115的一部分未被描绘。

安装在光学结构14上并耦合到控制电路136的是包括微显示器120的图像源或图像生成单元。在一个实施例中，图像源包括用于将一个或多个虚拟对象的图像投射到光学结构14中的微显示器120，其一侧(光学结构14r)在图2A和2B中被例示出。

许多不同的图像生成技术中的任何一种可被用于实现微显示器120。例如，微显示器120可使用投影技术来实现，其中光源由光学活性材料(optically active material)来调制，用白光从背后照亮。这些技术通常使用具有强大背光和高光能量密度的LCD型显示器来实现。微显示器120还可使用反射技术来实现，其中外部光被光学活性材料反射并调制。数字光处理(DLP)、硅基液晶(LCOS)以及高通公司的显示技术都是反射技术的示例。另外，微显示器120可使用发射技术来实现，其中光由显示器生成，例如，来自Microvision公司的PicoP^TM显示引擎。发射显示技术的另一示例是微型有机发光二极管(OLED)显示器。eMagin和Microoled公司提供了微型OLED显示器的示例。

在一个实施例中，显示光学结构14r包括光学元件(在本文中也被称为光学元件150)，第一部分反射和透射元件124、以及第二内部部分反射和透射元件126。每个元件124，126允许来自头戴式显示设备2的前方的可见光通过其自身传输到眼睛140。线142表示通过显示光学结构14r的用户眼睛140的光轴。因此，除了从微显示器120经由光学结构14接收虚拟图像之外，用户还具有头戴式显示设备2前面的空间的实际直接视图。

元件126具有部分透射的第一反射表面126a(例如，反射镜或其他表面)和第二透射表面126b。元件124具有部分透射的第一反射表面124b和第二透射表面124a。来自微显示器120的可见光穿过光学元件150并成为反射表面126a上的入射，被反射到表面124b并朝向佩戴者的眼睛140(如图5A中的光线追踪所例示的)。反射表面126a和124b反射来自微显示器120的入射可见光，使得来自显示器的成像光通过内部反射被困在结构14内，如以下进一步描述的。

在替换实施例中，无需利用光学元件150。对光学元件150的使用允许创建比没有元件更大的视野。元件150的移除简化了结构14。

红外照射和反射也穿越结构14，以允许眼睛跟踪系统跟踪用户的眼睛的位置。用户的眼睛将被引导到作为用户的聚焦或注视区域的环境的子集。眼睛跟踪系统包括眼睛跟踪照射源134A(在该示例中其被安装到镜腿102或其内部)以及眼睛跟踪IR传感器134B(在该示例中其被安装到镜架115的眉部103或其内部)。眼睛跟踪IR传感器134B可替换地定位在结构14中或邻近于微显示器120的任何位置处以接收眼睛140的IR照射。还有可能的是，眼睛跟踪照射源134A和眼睛跟踪IR传感器134B都被安装到镜架115或被安装在镜架115的内部。在一个实施例中，眼睛跟踪照射源134A可包括以大约预先确定的IR波长或一定范围的波长发射的一个或多个红外(IR)发射器(诸如红外发光二极管(LED)或激光器(例如，VCSEL))。在一些实施例中，眼睛跟踪IR传感器134B可以是用于跟踪闪光位置的IR相机或IR位置敏感检测器(PSD)。

从IR反射中，当眼睛跟踪IR传感器134B是IR相机时，瞳孔在眼框内的位置可通过已知的成像技术来标识，而当眼睛跟踪IR传感器134B是一种位置敏感检测器(PSD)时，瞳孔在眼框内的位置可通过闪光位置数据来标识。其他类型的眼睛跟踪IR传感器和用于眼睛跟踪的其他技术的使用同样是可能的并且落在实施例的范围内。

在耦合到结构14内之后，呈现来自微显示器120的图像数据的可见光照射和IR照射在结构14中被内部反射。

在一个实施例中，每只眼睛将具有其自身的结构14r、141，如图4A中所例示的。图4A例示出了相对于人类头部的微显示器120和光学结构14，其示出了来自光学结构内的显示器的朝向一双人类眼睛140的光。当头戴式显示设备具有两个结构时，每只眼睛都可具有其自己的微显示器120，该微显示器120可在双眼中显示相同图像或者在双眼中显示不同图像。此外，当头戴式显示设备具有两个结构时，每只眼睛可具有其自己的眼睛跟踪照射源134A和其自己的眼睛跟踪IR传感器134B。

在上述实施例中，所示出的具体数量的透镜只是示例。可以使用其他数目和配置的根据相同原理操作的透镜。另外，图2A和2B仅示出头戴式显示设备2的一半。

图3A是可以用于一个或多个实施例的透视、近眼、混合现实显示设备2的硬件和软件组件的一个实施例的框图。图3B是描述处理单元4的各种组件的框图。在这一实施例中，近眼显示设备2接收来自处理单元4的关于虚拟图像的指令并将来自传感器的数据提供回处理单元4。例如在图3B中描绘的可被实现在处理单元4中的软件和硬件组件从显示设备2接收传感数据并且还可通过网络50从计算系统12接收传感信息。基于该信息，处理单元4将确定在何处以及在何时向用户提供虚拟图像并相应地将指令发送给显示设备2的控制电路136。

注意，图3A的某些组件(例如，面向外或物理环境的相机113、眼睛相机134、微显示器120、不透明度滤光器114、眼睛跟踪照射单元134A、耳机130、一个或多个波长选择滤光器127、以及温度传感器138)以阴影显示，以指示可存在那些设备中的每一者的至少两个，其中至少一个用于头戴式显示设备2的左侧并且至少一个用于右侧。图3A示出与电源管理电路202通信的控制电路200。控制电路200包括处理器210、与存储器244(例如D-RAM)进行通信的存储器控制器212、相机接口216、相机缓冲器218、显示驱动器220、显示格式化器222、定时生成器226、显示输出接口228、以及显示输入接口230。在一个实施例中，控制电路200的所有组件都通过一个或多个总线的专用线路彼此进行通信。在另一实施例中，控制电路200的每个组件都与处理器210通信。

相机接口216提供到两个朝向物理环境的相机113以及本实施例中的如传感器134B之类的IR相机的接口，并且将从相机113、134B接收到的各个图像储存在相机缓冲器218中。显示驱动器220将驱动微显示器120。显示格式化器222可向执行该混合现实系统的处理的一个或多个计算机系统(例如4和12)的一个或多个处理器提供与被显示在微显示器120上的虚拟图像有关的信息。显示格式化器222可向不透明度控制单元224标识关于显示光学结构14的透射率设置。定时生成器226被用来为该系统提供定时数据。显示输出接口228包括用于将来自面向物理环境的相机113和眼睛相机134B的图像提供给处理单元4的缓冲器。显示输入接口230包括用于接收诸如要在微显示器120上被显示的虚拟图像之类的缓冲器。显示输出228和显示输入230与作为到处理单元4的接口的带接口(band interface)232进行通信。

电源管理电路202包括电压调节器234、眼睛跟踪照射驱动器236、音频DAC和放大器238、话筒前置放大器和音频ADC 240、温度传感器接口242、有源滤光器控制器237、以及时钟生成器245。电压调节器234通过带接口232从处理单元4接收电力，并将该电力提供给头戴式显示设备2的其他组件。照射驱动器236例如经由驱动电流或电压来控制眼睛跟踪照射单元134A以大约预定的波长或在某一波长范围内操作。音频DAC和放大器238向耳机130提供音频数据。话筒前置放大器和音频ADC 240提供用于话筒110的接口。温度传感器接口242是用于温度传感器138的接口。有源过滤器控制器237接收指示一个或多个波长的数据，其中针对所述波长，每个波长可选过滤器127将作为对该波长的可选波长过滤器。电源管理单元202还向三轴磁力计132A、三轴陀螺仪132B以及三轴加速度计132C提供电力并从其接收回数据。电源管理单元202还向GPS收发机144提供电力并且从GPS收发机144接收数据并向其发送数据。

图3B是与透视、近眼、混合现实显示单元相关联的处理单元4的硬件和软件组件的一个实施例的框图。图3B示出与电源管理电路306进行通信的控制电路304。控制电路304包括中央处理单元(CPU)320、图形处理单元(GPU)322、高速缓存324、RAM 326、与存储器330(例如，D-RAM)进行通信的存储器控制器328、与闪存334(或其他类型的非易失性存储)进行通信的闪存控制器332、经由带接口302和带接口232与透视、近眼显示设备2进行通信的显示输出缓冲器336、经由带接口302和带接口232与近眼显示设备2进行通信的显示输入缓冲器338、与用于连接到话筒的外部话筒连接器342进行通信的话筒接口340、用于连接到无线通信设备346的PCI express接口，以及(一个或多个)USB端口348。

在一个实施例中，无线通信组件346可包括启用Wi-Fi的通信设备、蓝牙通信设备、红外通信设备、蜂窝、3G、4G通信设备、无线USB(WUSB)通信设备、RFID通信设备等等。无线通信设备346由此允许与例如另一显示设备系统8的端对端数据传输，以及经由无线路由器或蜂窝塔到较大网络的连接。USB端口可被用来将处理单元4对接到另一显示设备系统8。附加地，处理单元4可对接到另一计算系统12以便将数据或软件加载到处理单元4以及对处理单元4充电。在一个实施例中，CPU 320和GPU 322是用于确定在何处、何时以及如何向用户的视野内插入虚拟图像的主负荷设备。

电源管理电路306包括时钟生成器360、模数转换器362、电池充电器364、电压调节器366、透视、近眼显示器电源376，以及与温度传感器374进行通信的温度传感器接口372(位于处理单元4的腕带(wrist band)上)。到直流转换器362的交流电被连接到充电插孔370以用于接收AC供电并为该系统产生DC供电。电压调节器366与用于向该系统提供电力的电池368进行通信。电池充电器364被用来在从充电插孔370接收到电力时(通过电压调节器366)对电池368进行充电。设备电源接口376向显示设备2提供电力。

图4A例示出了相对于人类头部的微显示器120和光学结构14，其示出了来自光学结构的显示器横截面的光是如何朝向一对人类眼睛140的。图4B例示出了光学结构14相对于坐标系的透视图。图4C是图4B的平面图。如图4B和4C所例示的，光学结构14可相对于光轴142旋转角度C度，以向用户提供更平滑的视觉轮廓。在一个实施方案中，C在大于零度至约10度的范围内，并且可以例如是7度。每个结构相对于鼻梁104向外旋转角C，如图4C所例示的。

图5A例示出了相对于光学结构14的一侧的微显示器120的输出的光线追踪。如本文所例示的，微显示器120的输出(被示为例如红、绿和蓝光的三个输出)首先穿过光学元件150。

微显示器120的输出通过光学元件150进入光学结构14，并且输出光首先被表面126a反射，来自该反射的图像光的第一部分被反射向部分反射表面124b，并且然后通过元件126被传送以便将来自微显示器120的图像呈现给用户的眼睛140。用户透过元件124和126看以便获得在用户前面的外部场景的透视图。

呈现给用户眼睛140的组合图像包括来自微显示器120的经显示的图像，该经显示的图像被覆盖在外部场景的透视图的至少一部分上，

在各种实施例中，微显示器120的输出可以是偏振的，并且保持输出的线性偏振，使得从透视显示部件14逃逸的来自元件120的任何图像光都具有与显示器120提供的图像光相同的线性偏振。如图5B所示，元件124和126以及用户的光轴142都位于不同的光轴上。

元件126和124可例如由高抗冲(high-impact)塑料形成，并且整体具有恒定的厚度。在一个实施例中，元件126的厚度可以为约1.0mm，并且元件124的厚度可以为约1.5mm。每个元件通过涂覆有部分反射和部分透射的涂层(例如介电涂层或金属膜)的基本塑料元件而形成。通过使用在其间具有气隙的元件124和126，允许在塑料元件上使用标准的部分反射涂层。这增加了光学结构14的可制造性，从而整体上增强了系统。与诸如自由形式棱镜之类的现有结构不同，不存在由被用作波导或反射元件的光学材料的厚度层所提供的失真或非统一厚度。元件124和126中的一个或两个可以是非球面的。此外，可以以“离轴”的方式提供两个元件中的一个，使得当佩戴设备时穿过元件124、126的用户的光轴(142)不以相应元件的几何轴为中心(图5B中的轴155和157)。

在一个实施例中，提供光学元件150以便相对于元件124和126来增加微显示器120的输出的视野。在一个实施例中，结合光学结构14的微显示器120提供1920×1080像素分辨率，其中视野为30度(水平)乘19度(垂直)(像素大小为约12微米)。

在另一个实施例中，光学元件150可包括在处理电路136的控制下操作的变焦透镜。适于本文使用的变焦透镜的一个示例包括光学透镜和致动器单元，该致动器单元包括由施加到其上的允许透镜的焦点进行变化的电压控制的可变形区域。(参见例如美国专利No.7619837)。可相对于透镜152提供任何数量的不同类型的控制器，以改变光学元件150的规定(prescription)。替换地，可使用由静电平行板致动的薄型变焦液体透镜，诸如来自法国格勒诺布尔的Minatech的波导透镜(Wavelens)。

如图5B所例示的，在另一独特的方面，元件124、126处于相对于光轴142的倾角(A，B)处并存在(垂直)位移偏移(C，D)。用户的光学查看轴142表示通过系统14的用户的主查看轴。元件124的光轴157相对于轴142偏移了约30度的角度A，并且位移C为40mm。元件126的光轴155相对于轴142偏移了约25度的角度B，并且位移D为10mm。在替换实施例中，角度A和B可以在20-45度的范围内，而垂直偏移C-D可以在0-40mm的范围内。

当前技术的离轴实现允许使用上述统一厚度的塑料和薄膜涂层来制造光学结构14。

此外，元件124和126中的一个或两个可用非球面表面来形成(124a、124b、126a、126b)(在图5B中以截面被示出)。

应当注意，元件124的部分反射和透射表面124b是凹形的并且与元件126的凸形的部分反射和透射表面126A相对。与现有实施例不同，气隙将元件124、126和150分开。

图6是例示出根据本技术的透视光学显示器的性能的失真图。如本文所例示的，矩形网格例示出了通过光学系统的用户的视图上的理想性能，其中“x”例示由光学系统导致的失真呈现的量。如图7所例示的，失真不仅是最小的，而且是跨视野对称的。

图7是本技术的调制传递函数(MTF)曲线的图。显示同一点处的两个MTF的图：一个沿径向(或矢状)方向(指向远离图像中心)，一个沿切向方向(沿绕图像中心的圆周)，与径向方向成直角。MTF图绘出了传输对比度的百分比对照线的频率(周期/mm)。参考在矢状或切向方向上距图像中心的距离示出了每个MTF曲线。用于本技术的理想MTF曲线(例如由系统设计者确定)基于设备所期望的分辨率。理想的MTF曲线和伴随曲线示出了使用本技术创建的设备的成像性能。较高空间频率下的较高调制值对应于更清晰的图像。

图9和10意图例示本技术的附加实施例。如本文所例示的，光学元件124、126之一可被形成为平面元件。如图9所例示的，元件126可被提供为平面元件。如图10所例示的，元件124可被形成为平面元件。.

示例性实施例

根据上述描述，该技术包括适于将图像输出到光学查看轴的光学显示系统。该系统包括图像源；沿光学查看轴定位并具有处于相对于光学查看轴的离轴位置处的第一几何轴的第一光学元件。

沿光学查看轴定位并具有处于相对于光学查看轴的离轴位置处的几何轴的第二光学元件。

该技术的一个或多个实施例包括前述实施例，其中离轴包括位于相对于光学查看轴的一定角度处的几何轴。

各实施例包括如上述实施例中任何一项所述的系统，其中离轴包括相对于光学查看轴垂直位移的几何轴。

各实施例包括如上述实施例中任何一项所述的系统，其中所述光学元件中的至少一个包括非球面光学元件。.

各实施例包括如上述实施例中任何一项所述的系统，进一步包括位于图像源与第一和第二光学元件之间的第三光学元件。

各实施例包括如上述实施例中任何一项所述的系统，其中第三光学元件是变焦元件。

各实施例包括如上述实施例中任何一项所述的系统，其中第一光学元件和第二光学元件包括统一的塑料基板，每个塑料基板包括至少一个部分反射和透射表面。

各实施例包括如上述实施例中任何一项所述的系统，其中第一光学元件和第二光学元件被气隙分开。

各实施例包括如上述实施例中任何一项所述的系统，其中每个所述元件是非球面的，并且其中所述第一元件的所述至少一个部分反射和透射表面是凹形的并且与所述第二元件的所述至少一个部分反射表面相对，所述第二元件的至少一个部分反射表面是凸形的。

各实施例包括如上述实施例中任何一项所述的系统，其中所述光学元件中的至少一个包括平面元件。

该技术的一个或多个实施例包括透视头戴式显示器。所述显示器包括镜架；具有输出的显示器；第一部分反射和透射元件；第二部分反射和透射元件；沿着镜架的佩戴者的光学查看轴定位的每个元件，其间具有气隙以使得第一部分反射和透射元件具有处于相对于光学查看轴的离轴位置处的第一几何轴；所述第二部分反射和透射元件具有处于相对于光学查看轴的离轴位置处的光学轴；以及适于将输出提供给光学查看轴的元件。

各实施例包括如上述实施例中任何一项所述的显示器，进一步包括第三光学元件，该第三光学元件位于显示器与第一部分反射和透射元件以及第二部分反射和透射元件之间。

各实施例包括如上述实施例中任何一项所述的显示器，其中至少一个光学元件是非球面的。

各实施例包括如上述实施例中任何一项所述的系统，其中离轴包括位于相对于光学查看轴的一定角度处的至少一个所述几何轴。

各实施例包括如上述实施例中任何一项所述的显示器，其中离轴进一步包括相对于光学查看轴垂直位移的至少一个所述几何轴。

该技术的一个或多个实施例包括显示设备。显示设备包括：具有输出的微显示器；位于邻近于显示器处的光学元件，所述光学元件用于接收输出；第一部分反射和透射元件，所述第一部分反射和透射元件被配置成接收来自光学元件的输出；第二部分反射和透射元件，所述第二部分反射和透射元件被配置为接收反射自所述第一部分反射和透射元件的输出；以及沿着设备的佩戴者的光学查看轴定位的每个元件，其间具有气隙并具有处于相对于光学查看轴的离轴位置处的几何轴。

各实施例包括如上述实施例中任何一项所述的显示器，其中每个元件的几何轴相对于光学查看轴垂直地位移。

各实施例包括如上述实施例中任何一项所述的显示器，其中至少一个所述元件是非球面的。

各实施例包括如上述实施例中任何一项所述的显示器，其中每个元件包括至少一个部分反射和透射表面，第一部分反射和透射元件的表面是凹形的，并且第二部分反射和透射元件的表面是凸形的。

各实施例包括如上述实施例中任何一项所述的显示器，其中所述部分反射和透射元件中的至少一个是平面的。

该技术的一个或多个实施例可囊括包括适于将图像输出到光学查看轴(142)的光学显示装置(14)的技术。显示装置包括用于反射和透射沿着光学查看轴定位的图像并具有处于相对于光学查看轴的离轴位置处的第一几何轴(155)的第一装置(124)。第二装置(126)反射和透射沿着光学查看轴定位的图像并具有处于相对于光学查看轴的离轴位置处的几何轴(157)。第三光学元件150可包括用于将图像聚焦在第一光学装置和第二光学装置上的装置。

尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述具体特征或动作。更确切而言，上述具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式公开的。

Claims

1.一种适于将图像输出到光学查看轴的光学显示系统，包括：

图像源；

沿所述光学查看轴定位并具有处于相对于所述光学查看轴的离轴位置处的第一几何轴的第一光学元件；

沿所述光学查看轴定位并具有处于相对于所述光学查看轴的离轴位置处的几何轴的第二光学元件。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，离轴包括位于相对于所述光学查看轴的一定角度处的所述几何轴。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第三光学元件是变焦元件。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，离轴包括相对于所述光学查看轴垂直地位移的所述几何轴。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学元件中的至少一个包括非球面光学元件。

6.如权利要求1所述的系统，进一步包括位于所述图像源与所述第一光学元件和第二光学元件之间的第三光学元件。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一光学元件和所述第二光学元件包括统一的塑料基板，每个塑料基板包括至少一个部分反射和透射表面。

8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一光学元件和所述第二光学元件被气隙分开。

9.如权利要求8所述的系统，其中每个所述元件是非球面的，并且其中所述第一元件的所述至少一个部分反射和透射表面是凹形的并且与所述第二元件的所述至少一个部分反射表面相对，所述第二元件的所述至少一个部分反射表面是凸形的。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学元件中的至少一个包括平面元件。

11.一种透视头戴式显示器，包括：

镜架；

具有输出的显示器；

第一部分反射和透射元件；

第二部分反射和透射元件；

沿着所述镜架的佩戴者的光学查看轴定位的每个元件，其间具有气隙以使得

所述第一部分反射和透射元件具有处于相对于所述光学查看轴的离轴位置处的第一几何轴；

所述第二部分反射和透射元件具有处于相对于所述光学查看轴的离轴位置处的光学轴；以及

适于将所述输出提供给所述光学查看轴的所述元件。

12.如权利要求11所述的显示器，其特征在于，进一步包括第三光学元件，所述第三光学元件位于所述显示器与所述第一部分反射和透射元件以及第二部分反射和透射元件之间。

13.如权利要求12所述的显示器，其特征在于，至少一个光学元件是非球面的。

14.如权利要求13所述的显示器，其特征在于，离轴包括位于相对于所述光学查看轴的一定角度处的至少一个所述几何轴。

15.一种显示设备，包括：

具有输出的微显示器；

位于邻近于所述显示器处以接收所述输出的光学元件；

第一部分反射和透射元件，所述第一部分反射和透射元件被配置成接收来自所述光学元件的所述输出；

第二部分反射和透射元件，所述第二部分反射和透射元件被配置成接收反射自所述第一部分反射和透射元件的所述输出；以及

沿着所述设备的佩戴者的光学查看轴定位的每个元件，其间具有气隙并具有处于相对于所述光学查看轴的离轴位置处的几何轴。