CN107407817A - 具有全内反射的显示设备 - Google Patents

Abstract

一种显示设备，具有用于生成实像的显示器。光学系统具有小透镜，通过每个小透镜将来自显示器的光投射到眼睛位置，每个小透镜从显示器上的相应部分实像生成虚拟子图像。各子图像组合，以形成从眼睛位置可见的虚像。小透镜中的至少一个是“RXIR”小透镜，其中从显示器到眼睛位置的光线按以下次序被顺序偏转至少四次：折射(R)、反射(X)、全内或金属反射(I)以及折射(R)。

Description

具有全内反射的显示设备

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年1月21日提交的标题为“Immersive Compact DisplayGlasses”的共同发明且受让的美国临时专利申请No.62/105,905以及于2015年8月21日提交的标题为“Optical apparatus”的No.62/208,235权益。这些申请都通过引用整体上并入本文。本申请包含与共同受让的WO 2015/077718A1(PCT/US2014/067149)相关的主题，与“Immersive Compact Display Glasses”的发明人是共同的，在本文被称为“PCT1”，其通过引用整体上并入本文。

技术领域

本申请涉及视觉显示器，尤其涉及头戴式显示器技术。

背景技术

1.引用的参考文献

Benitez等人的WO 2015/077718(“PCT1”)

授予Nelson的美国专利4,924,215

授予Mizukawa的美国专利5,390,047

授予Takahashi的美国专利5,699,194

授予Takahashi的美国专利5,701,202

授予Okuyama和Takahashi的美国专利5,706,136

授予Ho Sik You等人的美国专利7,689,116

授予Perst等人的美国专利8,605,008

Ismael等人的美国专利申请2010/0277575 A1

Cheng等人的美国专利申请2012/0081800

D.Cheng等人，“Design of a wide-angle,lightweight head-mounted displayusing free-form optics tiling”，Opt.Lett.36，2098-2100(2011)

http://www.xbitlabs.com/news/monitors/display/20100519223434_Toshiba_Develops_High_Speed_High_Contrast_Active_Shutter_3D_Glasses.html(“Shilov2010”)

D.Fattal、Z.Peng、T.Tran、S.Vo、M.Fiorentino、J.Brug和R.G.Beausoleil，“Amulti-directional backlight for a wide-angle,glasses-free three-dimensionaldisplay”，Nature，第495卷，7441，第348-351页，2013.DOI：10.1038/nature11972。(“Fattal 2013”)

H.Hoshi、N.Taniguchi、H.Morishima、T.Akiyama、S.Yamazaki和A.Okuyama，“Off-axial HMD optical system consisting of aspherical surfaces without rotationalsymmetry”，Proc.SPIE 2653，234-242(1996)。

Inoguchi等人，“Fabrication and evaluation of HMD optical systemconsisting of aspherical mirrors without rotation symmetry”，Japan Optics'95，Extended Abstracts，20pB06，第19-20页，1995)。

J.J.Kerr，Visual resolution in the periphery，Perception&Psychophysics，第9卷(3)，1971

J.E.Melzer，“Overcoming the Field of View:Resolution Invariant in HeadMounted Displays”，SPIE第3362卷，1998

H.Morishima,T.Akiyama,N.Nanba,and T.Tanaka，“The design of off-axialoptical system consisting of aspherical mirrors without rotational symmetry”，第20届Optical Symposium，Extended Abstracts(1995)，第21卷，第53-56页。

2.定义

3.现有技术

头戴式显示器(HMD)技术是快速发展的领域。头戴式显示器技术的一个方面提供了完整的沉浸式视觉环境(其可以被描述为虚拟现实)，使得用户仅观察到由一个或多个显示器提供的图像，而外部环境被视觉遮挡。这些设备在诸如娱乐、游戏、军事、医药和工业之类的领域中都有应用。在US2010/0277575A1中，描述了这种设备中的一种。HMD的基本光学功能是立体镜(stereoviewer)的基本光学功能，诸如在美国专利5,390,047中所描述的立体镜。

头戴式显示器通常由一个或两个显示器、它们对应的光学系统(其将显示器成像到要被用户的眼睛可视化的虚拟屏幕中)以及头盔(其在视觉上遮挡外部环境并提供对所提到的组件的结构支撑)组成。显示器还可以具有瞳孔跟踪器和/或头部跟踪器，使得由显示器提供的图像随用户的移动而改变。

理想的头戴式显示器结合了高分辨率、大视场、小且良好分布的重量以及具有小维度的结构。虽然一些技术单独地成功实现了这些期望的功能，但迄今为止，大多数技术还不能将这些期望的功能中的所有功能结合起来。这导致对用户来说不完整或甚至不舒服的体验。问题可以包括低现实程度和眼睛疲劳(由于低分辨率或由于差的光学成像质量)、不能创造沉浸式环境(小视场)或者对用户头部的压力过大(过重)。

首先，PCT1将与本申请相关的概念公开为群集、opixel和ipxel。本申请的图1(PCT1的图3)示出了仅具有四个群集104t、104b、105t和105b的简单示例，其形成由数字显示器107上的opixel创建的复合图像。在PCT1中opixel由小透镜阵列光学器件投射，以在虚拟屏幕108(为了简单起见，已经在这里被绘制为具有矩形轮廓的平面)上形成ipxel的图像。因此，每个opixel属于单个群集并且任何两个群集的交集都是空集并且所有群集的并集是整个数字显示器。

每个群集在虚拟屏幕上显示图像的一部分。相邻的群集以在相邻区域中重合的一定的移位显示图像的部分。为了解释为什么这是必要的，在图1的顶部添加了二维示意图。它显示相关的光线来限定opixel和ipixel之间的映射的边缘。在这个图示中，具有ipixel的虚拟屏幕被放置在无穷远处，因此光线100a、101a、102a和103a的方向指示虚拟屏幕上的ipixel位置。为了简单起见，该图示是二维的，但是投射在图1左下方的图像的实际设备是三维的并且包含四个小透镜，两个在上面并且两个在下面，而不仅仅是在图1顶部的示意图中示出为104和105的两个小透镜。二维示意图被用来解释opixel和ipixel之间的映射的水平坐标，并且类似的推理适用于垂直坐标。

虚拟屏幕的水平范围从100a延伸到103a。在左群集104t和104b中表示的图像的部分由到达瞳孔范围106的边缘的边缘光线100a和102a给出，其限定虚拟屏幕108上的垂直线100a和102a。类似地，在右群集105t和105b中表示的图像的部分由边缘光线101a和103a给出，其限定虚拟屏幕108上的两条垂直线。因此，虚拟屏幕108的101a和102a之间的部分将在左群集和右群集中都显示。具体而言，小透镜104将虚拟屏幕的边缘光线100a和102a映射到数字显示器107上的100b和102b上。类似地，小透镜105将边缘光线101a和103a映射到数字显示器107上的101b和103b上。光学设计意在保证群集不交叠，这是利用当101b和102b重合时数字显示器的最大限度使用来实现的。顶部群集104t、105t与底部群集104b、105b的类似对准从图1中显而易见。

由于信息在群集上的部分重合，ipixel ip1由四个opixel(op11、op12、op13和op14)的投射形成。Opixel的这个集合被称为ipixel ip1的“网”。位于虚拟屏幕中心的ipixel(诸如ip1)的网各包含四个opixel。但是，接近虚拟屏幕边界的ipixel的网可以具有更少的opixel。例如，ipixel ip2的网只包含两个opixel(op21和op22)，并且ip3的网只包含op31。

本文公开的设备不仅仅使用折射小透镜，如PCT1中公开的实施例那样，而是使用具有全内反射的楔形棱镜光学器件，其可实现相当长的焦距(从10mm到80mm)，同时保持HMD具有小维度。

过去已经提出了使用楔形棱镜光学器件用于HMD的现有技术，并且多个专利反映了这一点，但是它们都共享相同的原理。由于先驱工作首先由Morishima等人在1995年提出，因此我们将所有这些都称为Morishima的楔形棱镜光学器件。制造和评估方法由Inoguchi探讨。在这些先驱努力之后，已经进行了许多尝试来设计使用自由形状表面的HMD，特别是基于楔形棱镜的设计(美国专利号5,699,194、5,701,202、5,706,136，D.Cheng等人，“Design of a lightweight and wide field-of-view HMD system with freeform surface prism”，Infrared and Laser Engineering，第36卷，第3期(2007))。例如，Hoshi等人给出了自由形状棱镜，提供34°的视场和15mm的厚度；并且Yamazaki等人描述了具有光学透视能力的51°HMD设计，其由楔形棱镜和附连到楔形棱镜的辅助透镜组成。最近，授予Prest等人的美国专利8,605,008包括类似的楔形棱镜光学器件。还有几种基于楔形棱镜光学器件概念的市售HMD产品。例如，奥林巴斯(Olympus)发布了他们的基于自由形状棱镜的HMD的Eye-Trek系列。Emagin带来具有光学模块WFO5的Z800，Daeyang带来i-Visor FX系列(GEOMC模块，A3棱镜)产品；Rockwell Collins宣布推出使用OEM显示光学器件的棱镜技术的ProView SL40。D.Cheng等人的US 2012/0081800 A“Optical see-through free-form head-mounted display”还提出了一种用于HMD应用的新颖光学设计，其中特别给出了一种透视自由形状头戴式显示器，该显示器包括具有自由形状表面和低F数的楔形棱镜。

Morishima的楔形棱镜光学器件的工作原理如图3所示(取自授予Prest等人的美国专利8,605,008)，其中301表示眼睛，302是数字显示器，303是透镜。由数字显示器发射的光线304首先被表面305折射，然后被全内反射面306反射，然后被镜面307反射，最后被表面306折射到眼睛。

但是，Prest的透镜与我们的实施例完全不同，因为偏转的次序不同。例如，考虑图6所示的情况，其中由数字显示器608发射的光线经历在表面601上的折射、然后在镜面602上的反射、表面601上的全内反射(或镜面区域607上的反射)，以及最后在表面603上的折射，被发送到眼睛610。这种不同的入射顺序允许图8的数字显示器被放在图6中相当垂直的位置，而Morishima的楔形棱镜需要显示器被相当水平地定位(如图3所示)。

本文公开的实施例与先前提到的现有技术之间的另一个重要区别在于，在每个眼睛具有单个显示器的情况下，我们提供了非常宽的视场(>60度)，而针对单个显示器，现有技术实现了小得多的视场(<50度)。在现有技术中用来增大视场的一种方法是拼接(tile)，即，使用以镶嵌图案布置并且不在同一平面中的每只眼睛多个显示器。那种方法在D.Cheng等人的“Design of a wide-angle,lightweight head-mounted display using free-form optics tiling”Opt.Lett.36，2098-2100(2011)中提出，并且如图4所示(其中仅给出2D垂直横截面，但在实际设计中，总共有多达6个数字显示器放置在眼睛周围，如Cheng的图4C所示)。与使用每只眼睛的非共面的多个显示器的现有系统相反，在现在公开的设备中，我们使用双眼单个显示器或每只眼睛单个显示器或每只眼睛几个显示器，但是它们都可以放在同一个平面上，以便更容易安装在共同的PCB中。

授予You等人的美国专利7,689,116中公开了其它相关的现有技术，其包括由2小透镜光学器件组成的光学设计。适用于移动相机的这个专利给出了一种使用两个单独的对称离轴折射-反射系统将视场划分为两个视场的光学透镜系统，由此实现更薄的移动相机光学透镜系统。

图5解释了美国专利7,689,116的基础。在图5中，由物体(在该例中是花501)发射的光透过光学系统并撞击到放置光传感器的像平面502上。与视场的上半部分对应的光通过折射表面503进入系统，而与视场的下半部分对应的光通过折射表面504进入系统。光学系统的两半是对称的，如图5所示。属于上半部分的光线依次被四个不同的表面偏转：首先在表面503上折射，然后在表面507上反射，再次在表面508上反射，然后被表面509折射，最后撞击在像平面502的上半部分上。由于在这个设备中使用的特定光学体系架构，在像平面上获得的图像的每一半被反转505。这种情况以电子方式校正，以便最终在传感器506上获得期望的图像。

尽管You的设计与本文公开的实施例(如图12所示的实施例)相关，但是有几个重要的区别，这些区别将由本公开在下面的详细描述中解释清楚。首先，本实施例是用于不同的目的，即，头戴式显示器，而You的发明(图5所示)是用于移动相机光学透镜。那需要非常不同的几何结构。其次，You的实际物体(要拍摄照片的场景)位于远离镜头的位置，而我们的等效要素(具有opixel的数字显示器)与镜头距离非常短，甚至可以接触到它。第三，You的图像(投射到相机传感器上)是真实的并且位于非常靠近镜头的位置，而我们的等效要素(具有ipixel的虚拟屏幕)是虚拟的并且远离镜头。第四，图12所示我们的情况下的输出瞳孔是真实的、位于透镜的出射侧并被限定为允许眼睛运动的瞳孔范围，而在You中等效瞳孔(它是出射瞳孔)是虚拟的并且位于透镜的入口侧。第五，图5中的两个表面503和508的通光孔径(clear aperture)是隔开的(它们之间没有交叉)，而在我们的情况下它们是交叠的，实际上在图12中是具有两个区域的同一表面1201：镜像区域以及通过全内反射和折射工作的区域。第六，在You的系统中(与本实施例不同)，ipixel到opixel的映射是单一(univocal)的，即没有网，这与PCT1的现有技术(PCT1的图1和图2)中出现的多孔相机是相同的。第七，在You的系统中，由物体的一个像素生成的每条光线通过单个小透镜去往图像中其对应的一个像素，而在我们的情况下，有许多ipixel，其光来自穿过多于一个小透镜的光线。

发明内容

在一方面中，一种用于基于光学设计的沉浸式虚拟现实应用的设备具有一个或多个小透镜，以将显示光投射到眼睛。存在至少一个小透镜，使得光线在从显示器朝向眼睛的传播方向上按照以下顺序在自由形状的表面上经历至少四次偏转：折射、反射、全内或金属反射以及折射。第一次折射和全内反射由同一表面进行。这种小透镜在本文被称为RXIR型。当使用多个小透镜时，通过任何一个小透镜成像到虚像的图像像素(ipixel)上的数字显示器的物体像素(opixel)的集合被称为那个小透镜的群集。一般而言，opixel到ipixel指派不是双射的，因为属于不同群集的若干opixel可以映射到虚像的同一个ipixel。

取决于小透镜的数量和类型，这些实施例有多种可能的配置。优选实施例具有一个、两个或四个RXIR小透镜，它们可以是单独的，或者可以与折射小透镜组合。这些实施例可以被设计成与用于双眼的单个数字显示器、每只眼睛一个显示器或者每只眼睛两个显示器一起使用，并且数字显示器可以是平坦的或弯曲的。两个RXIR小透镜实施例可以容易地适应使用小相机的眼睛跟踪系统。

在一个实施例中，通过多项式展开的系数的多参数优化，优选地使用正交基，使用两个或更多个自由形状的表面来完成光学设计。设计要求被适应于人眼分辨率，以最佳利用可用的自由形状程度。这种适应意味着，当眼睛凝视或接近每个ipixel时(因此外周角小)，该ipixel的图像质量应当是最大的，因为该ipixel将被眼睛成像到视网膜中央凹上，而图像质量在外周角增大(其中眼睛分辨能力下降)时逐渐降低。

时间复用技术的添加允许通过在帧周期内以若干连续的部分表示图像并且对这些图像部分中的任一个使用全部可用的opixel来增加ipixel的数量。

在一个实施例中，通过在若干选定位置包括吸收体或者在使用偏振光时(如在LCD数字显示器的情况下)借助于半波片，改善那些实施例的对比度。

在另一方面，显示设备包括可操作以产生实像的显示器。包括一个或多个小透镜的光学系统被布置成通过每个小透镜将来自显示器的光投射到眼睛位置而从显示器上的相应的部分实像生成虚拟子图像。各子图像组合，以形成从眼睛位置可见的虚像。至少一个小透镜使得从显示器到眼睛位置的光线通过折射(R)、反射(X)、全内或金属反射(I)和折射(R)依次被顺序地偏转至少四次(RXIR小透镜)。

显示设备还可以包括显示驱动器，其可操作以接收输入图像，并生成相应的部分实像，使得所得的虚拟子图像对准，以形成所述输入图像的虚像，作为所述可见的虚像。

第一次折射(R)和全内或金属反射(I)可以由具有非重合的交叠通光孔径的同一表面执行。于是，交叠区域通常是既折射又全内反射的区域。同一表面上在第一次折射的区域之外的另一个区域可以被金属化。

一个或多个小透镜可以包括RXIR小透镜中的至少两个，其可以是可叠加的或不同的。

一个或多个小透镜可以包括RXIR小透镜中的至少一个以及至少一个是非RXIR小透镜的小透镜。

然后，所述至少一个RXIR小透镜可以在可见虚像的中心部分处生成其虚拟子图像，并且所述至少一个非RXIR小透镜可以在虚像的更接近可见虚像的外周的部分处生成其虚拟子图像。于是，通常提供更好成像质量的(一个或多个)RXIR小透镜被用于虚像的最可能用视网膜中央凹观察的部分。

至少两个小透镜可以是不可叠加的。

显示设备可以被布置成产生部分虚像，每个部分虚像包含在眼睛的瞳孔在瞳孔范围内的情况下当所述眼睛由处于显示设备的眼睛位置处的假想球体表示时由所述眼睛投射到所述眼睛的表示视网膜中央凹的1.5mm区域上的部分，每个可见虚像的视网膜中央凹部分具有比可见虚像的外周部分更高的分辨率。

光学器件可以放置在距离假想眼球在5和40mm之间的位置处，所述至少一个小透镜形成对着从假想球体的最近点起的包含具有40度全角的锥体的立体角的小透镜阵列，其中显示器位于光学器件的远离假想球体的一侧，与光学器件的距离不大于80mm。

显示器上的相应部分实像可以包括在显示器的同一部分上交叠并且在不同时段期间被激活的至少两个部分实像，并且其中不同的小透镜将显示器的所述同一部分成像到在虚像的不同位置处的不同子图像。

显示设备还可以包括去除对虚拟子图像无贡献的光的杂散光控制系统。

杂散光控制系统可以包括在显示设备的一部分中的光吸收材料，所述部分不被对虚拟子图像有贡献的光线穿过。

杂散光控制系统可以包括布置成吸收朝显示器反射回的光的偏振器和半波旋转器。

头戴装置的一个实施例包括上面提到的显示设备的各方面和/或实施例中的任何一个，具有用于将显示设备定位在人的头部上的安装座，显示设备的眼睛位置与人的眼睛重合。

头戴装置还可以包括第二显示设备，安装成第二显示设备的眼睛位置与人的第二只眼睛重合。

第一和第二显示设备的显示器可以是单个物理显示器的部分。

在一个实施例中，RXIR偏转发生在实心透明体的表面处，该透明体在朝向和远离眼睛位置的方向上或者在朝向和远离第二次R折射发生的出射表面的方向上比在垂直于或横穿所述方向的方向上更长。如下面的实施例中所解释的，实心体可以是仅由狭窄的低折射率间隙隔开的一对主体或一对主体中的一个。

附图说明

从结合以下附图给出的某些实施例的以下更具体描述中，上述和其它方面、特征和优点将显而易见。在图中：

图1是ipixel到opixel映射的示意图(现有技术)。

图2示出了作为外周角的函数的典型人眼的角分辨率。

图3是楔形棱镜光学器件的横截面图(现有技术)。

图4是具有非共面显示器的拼接系统的横截面图(现有技术)。

图5是用于移动电话的紧凑型相机光学器件设计的横截面图(现有技术)。

图6是用于大面积数字显示器的单个RXIR小透镜实施例的横截面。

图7是具有用于双眼的单个大面积数字显示器的单个RXIR小透镜设备的透视图。

图8是用于小型微显示器的单小透镜RXIR实施例的横截面。

图9A是具有用于双眼的单个微显示器的单小透镜RXIR实施例的顶视图。

图9B是具有大面积弯曲数字显示器的单小透镜RXIR实施例的水平横截面图。

图10是具有RXIR和RXR小透镜的实施例的横截面图。

图11是具有RXIR和RR小透镜的实施例的横截面图。

图12是具有两个RXIR小透镜的2倍实施例的横截面图和透视图。

图13是用于眼睛跟踪的附加的相机的示意图。

图14是具有每只眼睛两个RXIR小透镜以及用于双眼的单个数字显示器的实施例的透视图。

图15是将两个RXIR小透镜作为分离件制造的实施例的横截面。

图16是具有一个中央RR小透镜和两个外周RXIR小透镜的实施例的横截面。

图17示出了图16中的设计的变体，其中透镜被添加到RR小透镜。

图18示出了图16的实施例以及4倍RXIR实施例的透视图。

图19是另一个4倍实施例的透视图。

图20示出了应用到用于双眼的单个数字显示器的图19中的实施例。

图21是具有靠近显示器的附加透镜的实施例的横截面图。

图22是使用与电介质片隔开的平面镜(flat mirror)的实施例的横截面图。

图23示出了具有靠近眼睛的附加透镜的实施例的横截面图。

图24是具有两个中央RXIR小透镜和两个外周RR小透镜的另一个实施例的横截面图。

图25是使用低折射率带隙(gap)来获得紧凑性的实施例的横截面图。

图26是用两个反射镜代替RXIR的反射镜的实施例的横截面图。

图27是具有用于每只眼睛的倾斜平面显示器的两个RXIR通道的不可叠加实施例的横截面图。

图28是具有用于弯曲显示器的两个RXIR通道的不可叠加实施例的顶视图。

图29是用于双眼单个显示器的两个4倍设计的透视图。

图30示出了沿着图29中的一个小透镜的对角线的径向和矢状焦距。

图31A示出了在数字显示器上ipixel到opixel映射的若干特征线。

图31B是用于限定若干角度的图。

图32描述了用来表示详细设计的表面的局部坐标系。

图33是示出一些特征光线的详细设计的横截面图。

图34是图33中的相同设计的另一个横截面图。

图35是每个小透镜使用一个平面快门的时间复用实施例。

图36示出了在三种时间复用设计中的数字显示器利用。

图37是使用共面快门的替代时间复用实施例。

图38是使用半波延迟器使杂散光最少化的实施例的横截面图。

图39是与图38相同的实施例的透视图。

图40示出了减少其它杂散光生成机制的吸收体的位置。

图41示出了减少其它杂散光生成机制的替代吸收体的位置。

具体实施方式

本发明的实施例包括通过一个或多个光学小透镜将光从一个或多个数字显示器发送到眼睛的瞳孔范围的区域的光学设备(每只眼睛)，其中至少一个小透镜是RXIR小透镜，RXIR小透镜是在感兴趣的光线(当从数字显示器前进到眼睛时)按以下顺序经历至少四次偏转的意义上定义的：折射(R)、反射(X)、全内或金属反射(I)和折射(R)，其中第一折射(R)和全内或金属反射(I)由具有不重合的交叠通光孔径的同一表面执行。(我们在本文称“表面”是具有一阶连续性(即，斜率的连续性)或更高阶连续性的表面)。这些实施例使用若干自由形状的光学表面，这意味着它们是不具有经典旋转或线性对称性的表面。它们的设计是根据第8节中给出的详细描述来完成的。

本光学设计的实施例是不平衡的，以优化其自由度来更好地对其图像将被眼睛直接凝视的opixel(其将聚焦在视网膜中央凹上，在那里人类角分辨率高得多)进行成像，而与我们的外周视觉对应的图像质量则被降低。

4.具有单个RXIR小透镜的实施例

图6示出了具有RXIR类型的单个小透镜的设备的2D侧向横截面，指示用户的眼睛610和鼻子609的位置。数字显示器608可以被放置在倾斜位置。数字显示器的这个位置允许整个设备到用户的脸部的更好机械耦合，尤其适应于鼻子的形状。如图6所示，由数字显示器608发射的光线604、605和606在表面601上经历折射，然后在镜面602上被反射，再次部分地由表面601上的全内反射并且部分地由表面607上的金属反射所反射(其中表面601和607光学地形成单个反射镜)，并且最终被表面603折射并指向眼球611的中心。因此，当眼睛注视其对应的ipixel时，这些光线平行于凝视向量，因此设计被执行以保证那些ipixel的图像质量是最高的。从显示器的边缘发射的光线612和613在眼睛瞳孔静止(rest)向前时到达眼睛瞳孔的中心，这限定了视场的边缘。由607指示的表面601的区域被金属化，以便执行不满足全内反射条件的那些光线的反射，例如图6中的光线604。当然，虽然这个区域是表面601的一部分，但它不能用作来自数字显示器608的光线的入口。因此，用于折射和用于反射的表面601的通光孔径交叠，但是它们不重合。全部三个表面601、602和603优选地是自由形状，因为破坏经典的旋转对称约束在光学设计中提供了更多的自由度，以保证在整个沉浸式视场中足够的图像质量。

这种设计允许对双眼使用单个大数字显示器，或者使用两个半尺寸的数字显示器(即，每只眼睛一个)。图7示出了用于双眼的单个大显示器703的特定情况，其中存在两个透镜702，每只眼睛701有一个透镜702。数字显示器703被表示为向前的，并且，如图6所解释的，它倾斜，以与用户的脸部更好耦合。这种配置对于以对角线大约5至6英寸(125至150mm)的低成本底板技术制造的商业数字显示器是特别有吸引力的，因为这种尺寸意味着最长边长度接近平均人瞳孔间距离(大约为63mm)的两倍。

这种透镜(其中存在一次全内反射、两次折射和一次反射)也可以与每只眼睛一个数字显示器(而不是用于双眼的一个大显示器)组合使用。这种替代方案减小了数字显示器面积，从而降低了整个设备的成本。如果我们进一步减小数字显示器的尺寸，那么可以更成本有效地使用高成本背板技术(如硅上的OLED的晶体硅背板、LCOS或DMD)。这在图8中示出。

图8中所示的设计是针对每只眼睛一个透镜和一个数字显示器。不过，可以获得类似的透镜设计，其中存在两个透镜，但是双眼用单个数字显示器，并且利用从上面看整个设备和双眼的视图在图9A中示出了示例。如图9A所示，两个透镜都类似于图8，但是它们被旋转，以便获得输入/输出光线的期望方向。数字显示器905发射光线，所述光线被表面901折射、被表面902反射、在901上的全内反射反射，最后被903朝着左眼折射。光线的相同行为在右眼中示出。线904指示数字显示器的一个对称平面，并将其分成两个区域：左侧区域，向左眼发送光；和右侧区域，向右眼发送光。以这种方式，这种配置可以被设计成用于16:9数字显示器，因此具有两个具有8:9宽高比的隔开的区域，一个区域与每只眼睛对应。在对称平面904中，可以添加平坦的吸收表面，以便避免光线穿过对称平面并将信息发送到错误的眼睛。当LCD显示器用作数字显示器时，背光单元可以被设计成定向发射，使得不需要平坦的吸收屏蔽904。类似地，可以使用数字镜设备(DMD)，并且可以调节其照明，使得光在期望的方向上反射。

图9B示出了从上方看的通过2D横截面的相同设备906的另一个变体。数字显示器907被设计成呈现围绕用户头部的圆柱形配置。这种替代方案允许符合人体工程学和紧凑的设备，因为数字显示器的侧向部分更接近面部。

图10示出了先前所述实施例的另一个变体的2D垂直横截面。这个变体由两个小透镜形成，其中一个是RXIR型，其在图10中可以通过两个表面(用1004和1006标记)的斜率不连续性来识别。通过诸如该多小透镜配置之类的多小透镜配置，我们可以获得更紧凑的设备，一般以稍小的分辨率为代价，因为一些图像像素(ipixel)在多于一个小透镜中被看到。每个小透镜都会对物体的某一部分进行成像。这些图像部分常常交叠。给定的小透镜的物体像素(opixel)到图像像素(ipixel)映射是连续的，但是在不同的小透镜的映射之间一般没有这样的连续性。为了在视网膜上获得完整的连续图像，那么数字显示器必须示出不连续的图片，这些图片一旦被不同的小透镜成像，就在视网膜上形成连续的图片。在图10中，由数字显示器发射的光线(用1007和1008标记)经历在表面1002上的折射，然后是金属化表面1003上的反射，然后这些光线再次在表面1002上偏转，遭受全内反射，最后它们在表面1006的上部小透镜上被折射并指向眼睛1012。因此，总共有通过这个小透镜的4次偏转，这是前面提到的RXIR型。属于另一个小透镜的光线如图10中所示，其中光线被标记为1009和1010。这些光线在表面1002上被折射，然后光线1009在表面1004上遭受全内反射并且光线1010在表面1004的标记为1005的金属化部分上被反射，之后两条光线在下部小透镜表面1013上被折射并且指向眼睛1012，总共三次偏转，其可以被标记为RXR。因此，这两个小透镜不具有相同的光学配置。所有表面1002、1003、1004、1005和1006优选是自由形状的。

可替代地，图10中的设备可以相对于穿过眼睛中心并且指向前方的轴旋转90度，由此两眼的显示器将大致垂直定位，头部的每一侧有一个显示器。

图11示出了另一个2小透镜配置的水平横截面的顶视图。为了定向，示出了用户的鼻子1117和眼睛1118。内部小透镜1111是RXIR型，并且具有分别标记为1108和1107的正面和背面金属化部分。外部小透镜1112是由标记为1120和1110的2个折射表面(利用相同的命名法，其因此可以被称为RR)组成的透镜。这种配置与倾斜的显示器1101一起工作，以提供更好的人体工程学，于是它使用两个相互依赖的数字显示器，每只眼睛一个(例如，数字显示器对角线<2.2”(55mm))。内部小透镜1111与图6中所描述的相似，而外部透镜1112的设计类似于PCT1第6.6节所描述的小透镜设计。与和内部小透镜一起工作的内部数字显示器区域相比，和外部小透镜1112一起工作的数字显示器区域较小。这是因为内部小透镜1111被设计成产生水平FoV的更宽部分和更大焦距。

离开图11中所示的数字显示器1101的内部的光线1113和1114在入口表面1106处被折射，在后反射镜表面1107上被反射，在入口表面1106上被全内反射(或者在表面1106的金属化部分1108上被反射)，在表面1109处被折射，并被指向眼睛1118。小透镜之间的光学串扰需要避免。因此，光线1114在内部群集和外部群集之间的边缘1119处在内部群集中开始其路径，传播通过小透镜1111并且在瞳孔范围1104的内边缘上结束其路径。光线1115在同一边缘1119处在外部群集中开始其路径，传播通过小透镜1112并且在瞳孔范围1105的外边缘处结束其路径。光线1113确定水平单目视场的内边界，它在出射表面1109的内边界附近偏转并且，当向后被追踪时，它在数字显示器1101的内边界附近结束。光线1116确定单目水平视场的外边缘。它在出射表面1120的外边缘附近偏转，并且，当向后被追踪时，它在数字显示器1101的外边界附近结束。光线1115和1116离开外部群集并且仅遭受两次偏转–它们在到达眼睛之前在表面1110上折射、在表面1120上折射。

为了简单起见，选择2小透镜配置在图10和11中示出，但是小透镜的数量可以大得多。特别有趣的是2x2配置，使得两个顶部小透镜是RXIR型并且两个底部小透镜分别是用于图10和图11的RXR和RR。这些选项包括多于一个RXIR小透镜，因此可以考虑属于下一节的实施例。

5.具有多个可叠加的RXIR小透镜的实施例

图12中所示的另一个优选实施例是图6所示的设计的变体，具有两个可叠加的RXIR小透镜而不是一个。在这里，“可叠加”意味着小透镜的刚性运动(旋转、反射和/或平移)可以使其与另一个小透镜的活动区域完全相同。这里公开的原理不需要这种对称性，如下一节中将要公开的，但对称性或可叠加性简化了设计、制造、安装和测试。

图12示出了具有设备和用户头部的顶视图的2倍设计的横截面，指示出了鼻子1209的位置。在这种2倍配置中，长边数字显示器1208被放置在相当垂直的位置，与图6中数字显示器的倾斜位置不同。该设计通常需要数字显示器1208被划分成两个群集，图12中的上部和下部小透镜中的每一个有一个群集。然后，物理显示器1208可以被划分成两个单独的显示器，每个群集一个，优选但不必须是共面的，这增加了设计的自由度。光线1204、1205和1206经历在表面1201上的折射，然后是在镜面1202上的反射，表面1201上的反射，最后是在表面1203上的折射，以便被指向眼睛。虽然在光线1204的情况下通过全内反射执行第二次反射，但是在光线1205和1206的情况下，它由表面1207的镜部分执行。同样，这些表面是自由形状的。

需要通过限定瞳孔范围来避免光学串扰(如PCT1中所做的那样)，因此撞击在表面1201的边缘处的瞳孔范围的边缘光线1210作为1206被发送到群集边缘。瞳孔范围被包括在每个部分虚像的边缘区域中的需求要求各虚像稍微交叠。因此，交叠的区域必须在数字显示器上的两个群集中重复。因此，与利用使用整个数字显示器作为单个群集的单个小透镜在理论上可获得的相比，整体显示分辨率略微降低。这种2倍对称设计的自由形状轮廓的优化(如以下在第8节“2倍可叠加光学器件的详细示例”中详细描述的)倾向于导致在垂直于图12中所示的平面的方向上凸的折射表面1203。

图13示出了如何能够添加跟踪眼睛瞳孔位置的系统。眼睛瞳孔跟踪系统能够检测眼睛瞳孔位置，这允许显示设备动态地修改数字显示器上显示的信息，向用户显示与用户正在凝视的视场部分相关的信息。此外，为了避免不同的小透镜之间的光学串扰，同时减少不同的部分图像之间所需的交叠，群集是实时可调的。优选地基于小CMOS传感器的相机1306通过放置在靠近表面1302的边缘的两个小透镜的相交处的小针孔1313获得至少瞳孔范围的图像。针孔1313足够小(直径大约1mm)，以使用户不注意到。使用在这种设计中不被任何光线穿过的体积，相机线(以及如果需要，支架)可以垂直于图13的平面定位。在图13的左侧，凝视向量方向指向前方，示出数字显示器1301，光线在表面1302上的第一折射，然后在镜面1303上的反射，然后在表面1302上的反射，最后在表面1304上的折射。图13示出了来自眼睛瞳孔1305的边缘的极端反向光线。在图13的右侧，我们在瞳孔范围的极端处示出眼睛瞳孔1308，并且反向的光线1309和1310是眼睛瞳孔的边缘光线。在这两种情况下(眼睛向前看以及最大程度地转动)，没有一条光线被相机1306遮挡，相机1306隐藏在表面1302的金属化区域后面，并且，当瞳孔从一个情形移动到另一个情形时，群集之间的分隔从1311变到1312。

图14示出了与图12中的设备相似的设备，但是相对于穿过每个眼球的中心指向前方的轴旋转90度。透镜的这种朝向允许两个透镜都与单个标准的5.7”(145mm)对角线显示器一起工作的配置，如图14中所示。从数字显示器1402发射的光被透镜的表面1403、1404和1405偏转，最后到达眼睛1401。

图15示出了另一种可能的配置，该配置由在出射表面1504上具有尖端(cusp)1512(因此产生两个出射表面，每个小透镜一个)的2倍透镜设计组成。这种配置对于独立地制造两个小透镜并使它们在没有光学串扰的情况下工作是令人感兴趣的。这种设计原理可以应用到k倍透镜配置，其中k>1。图15示出了设备的水平横截面和用户的头部的顶视图，指示用户的鼻子1509和眼睛1517的位置。图15中所示的轮廓类似于图12中所示的2D轮廓，区别在于图15的实施例由沿着面1518相遇的2个部件组成。数字显示器1501对于这种2倍配置被放置在与图12中相同的位置。光线1506和1507经历在表面1502上的折射，然后在镜面1503上的反射，在表面1502的金属化部分1505上在光线1506的情况下的全内反射或在光线1507的情况下的反射，以及最终在表面1504上的折射，以便被指向眼睛1517(类似于光线1508)。表面1502、1503和1504是自由形状的。与图12中无尖端的设计的区别出现在出射表面上限定瞳孔范围的极端光线1507的轨迹点处，因为需要避免光学串扰。光线1507来自群集边缘，并且在表面1502的折射部分的内边界上折射之后并且在表面1503和1505的边缘上反射之后，它被平行于光轴1511反射，在出射表面1504的尖端边缘上折射并指向标记为1510的瞳孔范围边缘。这是瞳孔范围的极端光线。

图16示出了5个小透镜设备的2D横截面，其中该截面仅示出了3个由虚线分开的小透镜(图16对于3倍配置也是有效的)。极端小透镜类似于图12中所示的小透镜，并且以这种方式，光线1604以与光线1204相似的方式表现。另一方面，穿过中央小透镜的光线(例如，光线1603)经历在表面1601上的折射，在表面1602上的另一折射，并且中央小透镜的轮廓可以是旋转对称的。在图16中所示的实施例中，外部小透镜可以通过围绕中心轴的旋转而可叠加，但是在更一般的情况下这是不需要的。与之前的2小透镜情况一样，光学串扰需要通过限定瞳孔范围来避免，如在PCT1中所公开的。

图17示出了图16中所示的设计的变体，其中引入了额外的折射透镜1703，以偏转透过中央小透镜的光线。这种额外的透镜允许中央小透镜1704的输出表面是平坦的，因此也允许最靠近眼睛的表面沿着三个小透镜是连续的和可微分的(没有尖端)。我们现在对于中央小透镜有三种设计表面，因此能够具有良好的图像形成并控制光学设计的焦距(同时我们在眼睛附近的表面上没有尖端)。

图18示出了3D的3小透镜(左)和4小透镜(右)设计。在图18的两侧，分别在背景上绘制了单只眼睛，作为1801和1802。另一方面，数字显示器已经用虚线绘制为向前，分别由1803和1804表示。请注意，3小透镜设计更适于矩形数字显示器，例如16:9的比例，而4小透镜设计更适于正方形数字显示器。从光学设计的角度来看，3小透镜设计给出两种不同的小透镜：用于中央小透镜1805的一种设计，以及用于两个外部小透镜1806的一种设计。另一方面，4小透镜设计仅给出一种小透镜1807。

图19示出了用于一只眼睛的设备1910的透视图，其是图12中的2小透镜设备的4小透镜变体。我们使用这种配置来防止由于表面(2005)的凸弯曲导致的给定视场的过度色像差，这可能是由自由形状的表面优化引起的。这种4小透镜配置可以基于先前也参考图15描述的具有尖端的2个小透镜。设备1910的四个小透镜被示出并标记为1905、1906、1907和1908。示出了与透镜1910一起工作的数字显示器1901的一半。图19示出了分别与眼睛和显示器最近的表面的一阶导数(斜率)沿着其是不连续的点划线1903和1904(这些线隔开属于不同的小透镜的表面)。在图19所示的两个横截面中都避免了每两个相邻的小透镜之间的光学串扰。

图20示出了与图19相同的配置的3D图示，具有与标记为2001的单个标准数字显示器(优选地16:9)一起工作的两个4个小透镜设备(每只眼睛一个，为了绘图的清晰，省略了金属化部分)。从图20中我们可以清楚地认识到，放置在两只眼睛2002中的每一只眼睛前面的设备具有4个小透镜，每个小透镜由最接近数字显示器2001的折射表面2003、反射表面2004和最接近眼睛2002的折射表面2005组成。数字显示器2001发送光，光被表面2003折射、被表面2004反射、再次在表面2003上全内反射、在表面2005上折射，并最终到达眼睛2002。每个小透镜单独地是不对称的，但是当数字显示器1901是平的时小透镜相对于在隔开小透镜的平面中的反射来说是彼此对称的。当使用圆柱形显示器时，图20中的显示器2001的短边是弯曲的，这种对称性仍将被保留。

图21图示了具有可叠加小透镜的另一个实施例，示出了设备的水平横截面。用户的眼睛和鼻子也分别被示为标记为2111和2117。这种设备由被气隙隔开或者可替代地填充有低折射率材料(例如，含氟聚合物，如氟化乙烯丙烯(FEP))的两个单独的电介质片2102和2108组成。放置在数字显示器2101前面的这种新的透镜2102提供再多一个光学表面，以设计并因此提供附加的自由度。由数字显示器2101发射的示例性光线2112在入射表面2103上以及在其进入低折射率间隙2115的表面2104上被折射。光线2112在表面2105上被折射，在那里它离开低折射率间隙并进入另一个透镜部件2108。然后光线2112在金属化表面2106上被反射，在被第二次使用的表面2105上通过全内反射(或金属反射)被偏转，在出射表面2107上被折射并最终到达眼睛2111。光线2113和2114具有相似的轨迹。光线2112在群集边缘2116上开始其路径，并在瞳孔范围2110的边界上结束其路径。光线2113与光轴2109形成小的出射角并在眼球中心结束。光线2114在显示器边界的附近离开数字显示器2101，并且在穿过透镜2102、2108之后指向眼球中心，穿过瞳孔范围的边界。在这种配置中，表面2105及其对称的对等物被使用两次(通过折射和通过全内反射)。

在图21的实施例中，也有可能对双眼使用单个大数字显示器或者使用两个分开的数字显示器(即，每只眼睛一个)。

图22中示出了另一种设备配置的垂直横截面，其中人眼是2210，鼻子是2211。在这种设计中，代替背面镜透镜表面，我们对背面透镜表面2204后面的每个小透镜使用分开的反射镜2205。以这种方式，我们避免背表面金属化并且我们可以使用分开的平坦或自由形状的反射镜。由数字显示器2201发射的光线2208和2209在入射表面2203上折射，然后在背表面2204处折射之后它们离开电介质片2202，穿过气隙并在平面镜2205上被反射。然后通过在同一背表面2204处的折射，光线重新进入透镜2202，它们在金属化部分2206上反射或者通过表面2205上的全内反射被反射，在出射表面2207处折射并最终到达眼睛2210。表面2204可以被抗反射(AR)涂覆以避免由菲涅耳反射引起的双重图像。示例性光线2208在数字显示器2201群集边缘上开始其路径，并且在瞳孔范围的边界上结束其路径。示例性光线2209在边界附近离开数字显示器2201并且在出射表面2207的边界附近离开透镜，之后它在朝向眼球中心的方向上穿过瞳孔范围的边界。图22示出了2小透镜配置的示例，但是可以外推到具有k个小透镜的设计，k>2。这种配置的另一个变体是围绕虚线轴2212的90°旋转。

图23中的下一个配置也包括两个分开的光学部件，薄透镜2303(诸如薄菲涅耳透镜)放置在类似于图12中的设备的设备2302和用户的眼睛之间。为了解决在垂直于图12的平面的方向上12的表面1203的过度凸弯曲的问题，图23包括在那个方向在光学设备2302和人眼2306之间具有正屈光力的透镜2303。在图23中，这个透镜2303是菲涅耳透镜，它是薄透镜，因此它不会显著增加整个系统厚度。图23右侧示出了这种配置的水平横截面的顶视图，并且图23左侧示出了同一配置的垂直横截面的侧视图。为了定向，图23示出了用户的眼睛2306和鼻子2307。数字显示器2301被放置在垂直位置。在这种设计中允许对双眼使用单个大数字显示器或使用两个分开的数字显示器(即，每只眼睛一个)。

可以为给定的设备2302设计不同的透镜2303，以通过对应地改变设计中的虚拟屏幕来校正用户的视觉缺陷(例如，近视、远视或散光)。因此，仅需要重新组装透镜2303以适应不同的用户。

与仅由透镜2302组成的系统相比，这种配置中的光线遭受两次附加的折射。离开透镜2302的光线在菲涅尔透镜2303的刻面2304上遭受一次折射，并在平面出射表面2305上遭受另一次折射。如图23所示，表面2304仅在一个方向上具有刻面(参见图23的左侧)，即，凹槽可以沿着垂直方向具有圆柱对称性，这使得更容易制造。这就是为什么在图23的右侧看不到这些刻面的原因。放置在透镜2302的出口处的菲涅耳透镜2303在光线朝着眼球中心2310离开透镜2302时集中光线2308和2309。

如上面所提到的，菲涅尔透镜2303可以被线性对称、旋转对称或自由形状的另一个透镜代替。

图24示出了另一个设备的水平横截面的顶视图。为了定向，示出了用户的鼻子2413和眼睛2414。这种设计具有四个小透镜：其中两个是RXIR型，另外两个是折射RR型，并且允许比图12中的实施例更短的显示器到眼睛距离。因此，这个设备在数字显示器中具有opixel的四个群集。每对小透镜中的内部小透镜优选地覆盖眼睛通常凝视的瞳孔范围，例如，在眼球中心2416处相对于向前方向2415测量的从0°至20°的水平角范围，因此它是我们需要更高图像质量的区域。属于内部小透镜的光线遭受4次偏转。外部小透镜由两个折射表面2406和2407组成，其中光线仅遭受两次偏转。这种小透镜覆盖较窄的角范围，例如在眼球中心2416处相对于向前方向2415测量的从20°至30°；并且这个范围很少被眼睛凝视。我们在图24中图示了这个实施例的工作原理。这个设备可以与垂直显示器2401一起工作，因此我们可以具有用于双眼的一个大数字显示器或者用于每只眼睛的两个较小的数字显示器(即，近似地数字显示器对角线<2.5”(60mm))。

图24示出了不同的表面。折射入射表面2402(及其镜部分2403)、镜面2404和折射出射表面2405属于内部小透镜。折射表面2406和2407属于外部小透镜。同一侧的出射表面2406和2405通常由小的斜率不连续(discontinuity)分开。优选地分布焦距，以便沿着轴2415在向前方向上具有最大值，然后当从虚拟屏幕的中心移开时它们逐渐减小，如下面在下一节7中详细讨论的。与外部RR小透镜一起工作的数字显示器的外部群集(其从点2417b延伸到显示器外边缘)小于与内部RXIR小透镜一起操作的群集(其从点2417a延伸到2417b)，因为内部群集覆盖更宽的角范围并且焦距较大。

离开数字显示器的光线2408在表面2402上被折射，在背面反射镜表面2404上被反射，在入射表面2402上被全内反射(或者在表面2402的镜部分2403上被反射)，在表面2405上被折射并指向眼睛2414，共经历4次偏转。光线2409和2410遭受相同的偏转。光线2409在从点2417a延伸到2417b的群集的内边缘2417a上开始其路径，并且在瞳孔范围2412a的外边缘上结束。光线2411与外部RR小透镜一起工作，它在外部群集内离开数字显示器并遭受两次偏转，在表面2407上的一次折射和在表面2406上的另一次折射，之后它在凝视向量方向指向眼睛(即，近似地指向眼球中心2416)。光线2410离开从2417a到2417b的群集的外边缘并遭受四次偏转，在与透镜的外部RR小透镜导数不连续的附近离开外部RXIR小透镜，并且被指向瞳孔范围2412b的边界。外部小透镜的设计类似于在PCT1第6.6节中描述的小透镜设计。

图25中示出了另一种配置的水平横截面的顶视图，为了定向，绘制出了垂直数字显示器2501以及用户的鼻子2520和眼睛2521。这种配置由四个小透镜组成，其工作原理不同。它不需要任何镜涂层，并且允许比图12中的设备更短的显示器到眼睛距离。图25的设备在数字显示器2501中对于每只眼睛具有总共四个opixel群集。一个小透镜由部件2503和2504形成，并且覆盖眼睛通常凝视的瞳孔范围，即，从眼球中心测量的大约0°-20°的锥形角范围，这是我们需要更高图像质量的区域。属于光学系统的这个小透镜的光线在2个分开的透镜部件中遭受6次偏转。可替代地，两个部件2504和2503之间(表面2508和2509之间)的空气间隙可以用低折射率材料(诸如含氟聚合物，如FEP)填充。同一部件2503和分开的薄透镜2502形成另一个小透镜，其虚像覆盖自从眼球中心测量的第一锥形范围终止的位置开始的大约10°的较窄角范围(近似地从20°-30°)，这个区域很少被眼睛凝视。在这个小透镜中，光线在2个分开的透镜部件中遭受5次偏转。中心部件2503在两种类型的小透镜中都使用，但是对于不同的小透镜，光线路径是不同的。我们在图25中图示这个实施例的工作原理。

图25示出了用虚线(中心轴或对称平面)分开的作为两对的4个小透镜以及每对小透镜3个分开的光学透镜部件2502、2503和2504。透镜2503可以是或者在上部和下部小透镜之间共享的单个透镜部件，如图25中所示，或者它可以制成若干分开的部件。这第二个选项是可行的，因为部件2503沿着光轴的厚度小并且参考图15描述的光学串扰的影响可以忽略不计。

光线2513和2517离开数字显示器2501的外周群集之一的边缘，如图25中所示，在入射表面2511上遭受折射，在背表面2512上遭受全内反射，在透镜部件2504和2503之间的间隙处的表面2509和2508上遭受折射，在前表面2507上遭受全内反射，在出射表面2510上遭受折射并且在瞳孔范围的边缘(分别是2514和2519)处结束其通过系统(在6次偏转之后)的路径。因此避免了光学串扰。

光线2515和2516离开中心群集之一的边缘，在透镜2502的表面2505和2506上折射，在透镜2503的前表面2507上折射，在与透镜部件2504的间隙处的表面2508上全内反射，在表面2510上折射，然后光线2515被指向瞳孔范围边缘2514，同时，当眼睛向前看时，光线2516被指向眼睛瞳孔位置。

因此，在图25的配置中，与最终图像的外部部分对应的opixel群集位于数字显示器2501的中间，并且与最终图像的中心部分对应的opixel群集位于数字显示器2501的外边缘处。在为每个群集生成部分实像时考虑这一点。

图26示出了另一种2小透镜配置的水平横截面的顶视图。为了定向，示出了用户的眼睛2610和鼻子2614。透镜2609的每个小透镜具有两个金属化表面2603和2604，其在小透镜的外角处形成凹槽。离开显示器2601的光线2606和2607在入射表面2602处被折射，然后在每个凹槽的侧面被反射-在背表面2604上的第一反射和在侧表面2603上的第二反射，然后在入射表面2602上被全内反射，最终在出射表面2605上被折射并指向眼睛2610。对于光线2608，发生相同的偏转。来自数字显示器边缘附近的opixel的光线2606优选地指向瞳孔范围2611的边缘，该光线2606在两个小透镜的入射表面2602之间在透镜2609的中心轴处反射离开尖端2612。优选地，从数字显示器2615的中心附近的opixel群集边缘发射的光线2608穿过出口边缘点2613朝着瞳孔范围2611的边界偏转。以与专利PCT1中公开的完全相同的方式，光学串扰需要通过适当限定瞳孔范围来避免。最大图像质量被设计成用于诸如2607的光线，其在两个群集之一的内部开始其路径并且指向眼球中心到达眼睛，因此其接近于凝视向量方向。

6.具有不可叠加RXIR小透镜的实施例

显而易见的是，图12中的透镜和显示器可以相对于穿过眼球中心的垂直轴通过一个角度(例如，大约5至15°)向外旋转。这使得整个HMD给出更好的人体工程学，并且将水平视场增加每个透镜和显示器的旋转角度的两倍。因此，视场的双目部分也减少旋转角的两倍。但是，通过破坏图12中可叠加小透镜的对称性，可以对这种旋转的显示器实现更好的设计，如下。

图27示出了另一种2小透镜配置的水平横截面的顶视图。为了定向，示出了用户的鼻子2717和眼睛2716。这种配置失去了两个小透镜(及其对应的opixel群集)之间的对称性，允许两个小透镜具有不同的光学性能和尺寸。这种配置与倾斜的数字显示器2701一起工作，以提供更好的人体工程学，然后它使用两个独立的数字显示器，每只眼睛一个，例如数字显示对角线<2.5”(60mm)。

图27中所示的透镜实施例的内部较大的小透镜2714被设计成用于覆盖比外部小透镜更宽的水平视场(FOV)的部分，因为位于表面2705的外边缘处的尖端不再位于前视方向(由穿过2702的虚线给出)，而是在虚线2718上，其在眼睛2716的中心2703处与到2702的中心线形成可以是大约5°至15°的角度。焦距优选地被分布，以便在眼睛瞳孔向前看的0°方向(如沿着到点2702的轴)具有最大值，然后在移动远离虚拟屏幕的中心时逐渐减小(如图2中所示)。与外部小透镜2713一起工作的数字显示器区域小于与内部小透镜2714一起工作的数字显示器区域，点2715处于两个群集之间的边界处。这是因为内部小透镜2714被设计成用于水平FOV的更大部分并且还用于更大焦距。

在内部群集的边缘处离开数字显示器的光线2709和2710在入射表面2705处被折射，在背面反射镜表面2706上被反射，在入射表面2705上被全内反射(或者从表面2705的金属化部分2707被反射)，在出射表面2708处被折射并指向眼睛2716。来自外部群集的光线2711具有相同的偏转。光线2710通过内部小透镜2714在内部群集中的边缘2715上开始其路径，并且在瞳孔范围2712的边界上结束。光线2711在外部群集中的边缘2715处被发射，并因此传播通过外部小透镜2713。光线2709确定水平单目视场的内边界，它在出射表面2708的内边界上折射，并且它大致在数字显示器2701的内边界处被发射。类似地，光线2717确定水平单目视场的外边界，它在出射表面2708的外边界上折射，并且它大致在数字显示器2701的外边界处被发射。

图28图示了类似于图27的两个类似的2小透镜透镜的水平横截面，每只眼睛一个，共享共同的弯曲的数字显示器2801。可替代地，可以使用两个分开的弯曲显示器。离开圆柱形数字显示器2801的光线在其从数字显示器到眼睛的路线上按以下顺序遭受四次偏转：折射、反射、全内反射和折射。虚线2804指示从虚拟屏幕到眼球2805的虚拟光线。在左侧示出直视前方的眼睛的虚拟光线，在右侧示出视场的极端侧的虚拟光线。连续线2803表示从数字显示器2801行进到眼球2805的光线。一般而言，每个透镜的两个小透镜2802彼此不对称，但是每个小透镜可以具有水平对称平面。当这些设备围绕穿过眼睛中心并指向前方的轴旋转90度时，得到另一种配置。在后一种情况下，两个小透镜可以相对于彼此对称，但是每个小透镜因而可以没有对称平面。

7.使设计适应人眼分辨率

图2示出了作为外周角的函数的典型人眼的角度分辨率(根据J.J.Kerr，“Visual resolution in the periphery”，Perception&Psychophysics，第9卷(3)，1971)。由于人眼分辨率在外周视觉中远小于靠近凝视方向，因此我们可以调节本说明书中任何实施例的设计条件，以使虚拟屏幕的凝视区域上ipixel的尺寸更小并且虚拟屏幕的外部区域中ipixel的尺寸更大。为此，我们将假设光学系统是合理地去象散的(anastigmatic)，因此我们可以定义物体和图像之间的映射。令(ρ,φ)为数字显示器上点r的极坐标，并且令θ,分别是虚拟屏幕上球面坐标的极坐标和方位角。坐标被定义成使得θ＝0是前向轴，θ是偏离那个轴的角度，是围绕θ＝0轴的方位角，并且方向和是水平的。函数称为映射函数。逆映射函数由给出。

我们将虚拟屏幕方向处的径向焦距f_rad称为我们将写作|r_θ|。我们将矢状焦距称为对于与径向或矢状不同的其它方向，焦距由给出，其中α是由径向方向和沿着其计算焦距的方向形成的角度。焦距表明了在特定方向上的映射的扩展或收缩。当物体与图像之间的映射共形时，f_α独立于α，这相当于映射扩展或收缩是各向同性的。沿着方向α的ipixel的角范围可以计算为对应的opixel直径除以焦距，即，D_i,α＝D_o/f_α(为了简单起见，本文考虑圆形opixel，但是推理容易扩展到通常的正方形opixel)。当对于给定的ipixel存在多于一个opixel时，如果光学系统被不适当地设计，那么我们可以具有不同的比率。人眼分辨率依赖于外周角，但良好的近似是不依赖于沿着其评估分辨率的方向α。于是，期望的是，ipixel的角范围独立于α(否则，分辨率将由最大角直径给出)。由于opixel的直径一般对于α是相当恒定的，因此一般期望独立于α的f_α。

在PCT1第6.8节中介绍了其分辨率在整个视场范围内变化并适于人类视觉的光学设计的光学设计的想法。人类视觉分辨率的顶峰在场景的成像在视网膜中央凹处的部分上，并且随着我们离开那个部分而降低。假设眼睛凝视前方(θ＝0)。因此，更长的径向焦距(导致更小的ipixel角尺寸以及因此更高的光学分辨率)应当用于需要更高分辨率的较低的θ值，而在θ值高(外周视野)的情况下，较短的焦距是可接受的，因为眼睛分辨率对于那些角度较低。

图29示出了4小透镜实施例2904。每个小透镜的表面具有与显示器的一半的对角线方向重合的对称平面。因此，用于一个小透镜的映射函数满足这个设备具有可变焦距。特别地，随着θ增大，径向焦距f_rad＝|r_θ|沿着。横向方向的焦距被设计成基本上等于f_rad，以便给出显示器活动区域的最佳使用。图30、图31A和图31B示出了关于焦距分布对于图29的设计所获得的结果。

图29示出了放置在与地板垂直的平面中、其最长维度平行于地板的宽高比接近2:1的显示器2901(例如，作为当前标准的16:9宽高比)。图29还示出了在数字显示器前面的两个4小透镜设备2904(每只眼睛一个)，每个设备在正在成像的相应的半个显示器前面，类似于图18中公开的透镜1807，但是围绕垂直于显示器的轴旋转了45度。因此，该4倍设备被放置成使得沿着其中一个小透镜2902的中心的对角线2903大致平行于半个数字显示器的对角线，如图29中所示。

图30示出了作为沿着线度的角度θ的函数的径向和矢状焦距。这个图示是为图29的4小透镜设备2904的一个小透镜2902进行的。径向焦距用实线(full line)3001标示，矢状焦距3002用虚线标示。两个焦距分布在接近于θ＝0°具有最大值，并且对于越大的角度θ(尤其是超过20度)它们逐渐减小。我们可以观察到的是，在径向和矢状方向，两个焦距(径向和矢状)在沿着对角线度的角度θ的每个值处是平衡的。

图31A示出了当眼睛瞳孔具有4mm直径并且眼睛向前凝视时，通过小透镜2902照射这个瞳孔的显示器2901(在图29中)的部分。这半个显示器被划分成4个正方形群集，每个群集与4小透镜设备2904的一个小透镜2902一起工作。方向θ＝0在数字显示器上被成像在点ρ＝0(3102)(即，图31A中的(x,y)＝(0,0))处。如图31B中所示，我们将χ定义为在所考虑的像素的方向3109的xz平面上的投射3111与z轴之间的角度3112，并且将γ定义为在方向3109的yz平面上的投射3113与z轴之间的角度3114。角度θ(3110)可以关于χ和γ表示为χ和γ可以表示为θ和的函数：和在显示器的正方形部分内图31A中所示的实线表示由小透镜2902(图29)映射到数字显示器上的曲线χ-γ＝常量和χ+γ＝常量，那些常量以2.5度为增量。线3101表示χ-γ＝0的曲线，即，对于度，其作为角度θ的函数的径向和矢状焦距在图30中示出。利用在两个垂直方向上配对的这种焦距分布，如果原始opixel也是正方形，那么观察者看到近似正方形的ipixel区域。点3102附近的径向和矢状焦距分别为23.5和22.8mm。此外，在图31A中心处的点3103附近，焦距为17.3和16.2mm，并且沿着等参数曲线(isocurve)3104(χ+γ＝20度)，径向和矢状焦距维持基本恒定，因此在点3108附近分别具有17.6和18.0mm。对于角度θ的较高值，例如在点3105附近，焦距为11.5和12.2mm。在点3107处，它在与点3105相同的等参数曲线(χ+γ＝常量)3106中，焦距为12.5和12.9mm。从那些示例性值，我们可以看到焦距值如何在两个垂直方向上被平衡，在显示器的中心区域中最高，以及它们朝着显示器的边缘如何逐渐减小。

8.2倍可叠加光学器件的详细示例

本节详细描述用于先前描述的配置的光学设计。这种配置由一个薄的自由形状的透镜(其中光线遭受两次折射)和另一个透镜(其中光线在3个自由形状的表面上遭受4次偏转(1个光学表面被使用两次))组成。光学设计是通过多项式展开的系数的多参数优化来完成的，优选地使用正交基。在本文所述的实施例中，利用以下等式来描述表面：

其中Pm(x,y)是10阶多项式，即，m＝10，c_2i,j是在下表1中列出的优化的表面系数，并且P_2i((x-(x_max+x_min)/2)/x_max)和P_j((y-(y_max+y_min)/2)/y_max)是分别在x和y方向利用x_min和x_max，y_min和y_max限制的区域内正交的Legendre多项式。所有表面在yz平面(即，平面x＝0(图32中所示的图的平面))内都具有平面对称性，因此Legendre多项式P_2i((x-(x_max+x_min)/2)/x_max)仅具有对次单项式(pair order monomials)。

Legendre多项式的显式表示包括：

其中后者通过简单单项式表示Legendre多项式，并涉及二项式系数的乘法公式，并且其中

图32示出了yz平面，x＝0中(其中z轴指向左，y轴指向上)的每个表面多项式描述的局部坐标系。眼球中心标记为3201，我们用它作为全局坐标系的中心(x,y,z)＝(0,0,0)。眼球被标记为3202。用于显示器3204的局部坐标系原点3203具有坐标(x,y,z)＝(0,0,44.00)。表面1被标记为3206，其局部坐标原点3205置于(x,y,z)＝(0,0,29.04540)处。表面2被标记为3208，其局部坐标原点3207置于(x,y,z)＝(0,15.5041,27.85875)处。表面3被标记为3210，其局部坐标原点3209置于(x,y,z)＝(0,0,25.00)处。表面4被标记为3212，其局部坐标原点3211置于(x,y,z)＝(0,0,24.50)处。表面5被标记为3214，其局部坐标原点3213置于(x,y,z)＝(0,0,24.00)处。坐标以mm为单位给出。所有表面的多项式的系数都在表1中列出。前四行为C1:x_min，C2:x_max，C3:y_min和C4:y_max，它们描述x方向上x_min和x_max之间的矩形区域，以及垂直的y方向上y_min和y_max，其中每个多项式是正交的。表1下面的行C5至C97是我们为每个表面设计的10阶Legendre多项式Pm(x,y)的系数。表面3、4和5在x＝0和y＝0平面中都具有平面对称性。表1中未出现的系数等于零。

表1

图33图示了属于2小透镜设计(诸如图23中所示的2小透镜设计)的小透镜的x＝0平面(使用连续自由形状的透镜3311代替菲涅尔透镜)。显示器的一半标记为3301，并且用户的眼睛是3302。相对于包含轴3308的y＝0平面，可以获得具有所示透镜3310和3311的镜像的完整设计。在图33中，我们可以检查设计光线轨迹。反向光线3304来自瞳孔范围3303的边界，撞击在表面1(图32的表面3206)的尖端处，并且被发送到群集边缘3309。反向光线3305平行于z轴离开眼睛。反向光线3306来自眼球中心，它撞击在表面5(图32的表面3214)的边界上，并且撞击在显示器上。当眼睛静止(rest)向前看时，反向光线3307固定视场的一端，因为它是从眼睛瞳孔位置撞击在表面5的边界上的边界外周光线。

图34是属于也在图33中示出的2小透镜配置的一个小透镜的平面y＝0处的横截面。这个截面垂直于图33中所示的截面。显示器是3401并且用户的眼睛是3402。透镜3404和3405分别与图33中的3310和3311对应。当这个眼睛瞳孔凝视瞳孔范围的边界附近时，反向光线3403离开眼睛瞳孔。

表2和表3示出了使用4mm的瞳孔直径用于图33中的设计的一些选定场的多色斑点的均方根(RMS)直径。这种设计对于前方方向具有大约26mm的焦距，并且焦距朝着视场的边缘逐渐减小，以适应眼睛分辨率。对于2.1”(55mm)对角线的16:9显示器，水平视场为108度并且垂直视场为93度。表中的角度χ和γ具有与图31B中相同的定义。

表2与眼睛凝视所述场时的情形对应，因此对于所有场，人眼感知的外周角为0，并且因此对于这个场，光学分辨率应当是最大值。表2显示，小至20-30微米的opixel可以被很好地解析，尽管RMS直径对于角度χ(度)的最高值显著增加。这是由色像差造成的，这可以通过添加衍射相息图(kinoform)(优选地在图32中的表面3210、3212或3214中的一个当中)来容易地校正。为了更容易制造，这些相息图应当在非自由形状的表面上添加。当相息图刻面的顶点包含在平行于图32的平面的平面中时的情况是特别感兴趣的。

表3与眼睛注视前方时的情况对应，因此人眼感知的外周角不是零，而是等于θ。因此，光学分辨率可以较低，而不影响人类对光学质量的感知。这种设计适于图2的人眼分辨率。出于这个原因，对于相同的场，RMS值在表3中比表2中高得多。

表2

表2

9.具有时间复用的实施例

这种时间复用背后的想法是通过在帧周期内以若干连续的部分表示图像并且使用所有可用的opixel用于这些图像部分中任何一个来增加ipixel的数量。显然，这种策略的成功依赖于诸如OLED、透射或反射FLC或DMD数字显示器之类的具有高开关率的数字显示器的可用性。这在图35中通过2小透镜示例示出，其中数字显示器3501在图35的左侧示出，并且两个活动的快门被放置在数字显示器和2小透镜设备之间。数字显示器发射用于图35的顶部小透镜的光线3504和3505。这些光线仅在顶部快门(即，3502)打开时才被眼睛接收。这个实施例可以使用快速铁电光晶体显示器(FLCD)充当快门。它们作为经典的半波片工作，其光轴可以通过施加的场来重新定向。FLCD的益处是其高分辨率和非常快的开关时间(小于100μs)。在授予Nelson的US 4,924,215中，这些FLCD也被用作快门。根据参考文献Shilov 2010，东芝的活动-快门立体3D眼镜具有0.1ms(开到关/衰减)和1.8ms(关到开/上升)响应速度，而许多竞争性解决方案分别声明0.3ms和3.7ms速度，或者甚至是2ms的“典型”响应时间。

在图35中所示的情形下，底部快门3503闭合，因此眼睛仅接收来自顶部小透镜的光。当顶部快门3502闭合时，底部快门3503打开，眼睛接收仅通过透镜的底部小透镜的信息。如图35中所示，每个小透镜与整个视场的不同区域对应，因此顶部小透镜透射整个视场的上半部分，而底部小透镜透射整个视场的下半部分。这些是2个子图像，它们一起完全填充虚拟屏幕。严格地说，这两个子图像交叠，因为它们必须允许眼睛在瞳孔范围内移动(并且还因为人类瞳孔的非零直径)，如在本文公开的大多数多小透镜设计中那样。在这种配置中，每个帧周期被划分成两个子帧隙。在第一子帧隙中，数字显示器示出与顶部子图像对应的信息，而在第二子帧隙中，数字显示器示出底部子图像的信息。如果这两种不同情形之间的过渡进行得足够快，那么眼睛将感知到来自两个小透镜的全局交叠图像，即，它将感知到具有我们最初在垂直方向上具有的像素数量的几乎两倍的总视场。这是在传统的阴极射线管(CRT)中发生相同的效果，其中，当阴极射束扫描荧光体屏幕时，屏幕的荧光体的存在和我们的视网膜的持续性的组合产生来自单个扫描点(一次仅一个点被绘制)的稳定图像的错觉。

当对于每只眼睛使用16:9的数字显示器时，数字显示器优选地被放置在水平位置(即，其最长维度平行于地板)。在这个朝向中，图35中所示的数字显示器的轮廓是其最短边，并且时间复用设备将生成相当1:1的宽高比(即，相似的垂直和水平视场)。关于垂直视场如何几乎加倍的解释可以在图36A中看到，该图表示用于这种设计的虚拟屏幕3601。点线矩形3602表示由顶部小透镜生成的虚拟屏幕的顶部子图像，而虚线矩形3603表示由底部小透镜生成的虚拟屏幕的底部子图像。如上面所解释的，两个子图像相加生成更大的正方形总视场。子图像在中央区域交叠，如图36中所示，以允许在瞳孔范围内的眼睛运动。

替代配置对于双眼使用单个标准的16:9数字显示器，而不是如上所述每只眼睛的数字显示器。在这种情况下，透镜旋转90°，被放置在水平位置，因此与图20中的设计类似，快门的两半左右对准。这种替代配置导致细长的视长，在水平方向具有更大的视场。图36B示出了用于这种设计的虚拟屏幕3604的生成。点线正方形3605表示由左小透镜生成的虚拟屏幕的左部分，而虚线正方形3606表示由右小透镜生成的虚拟屏幕的右部分，得到更大的矩形形状总视场。

时分复用(TDM)构思也可以应用到4小透镜配置，如图37中所建议的，图37示出了设备的对角2D横截面，也示出了数字显示器3701的对角线轮廓。对于光线如何被快门交替遮挡的解释是类似的。显然，在这种情形下，我们将有四个快门(每个小透镜一个)，而不是两个。图37示出了两个快门3702和3703的对角横截面，以及图37中的顶部小透镜的极端光线3704和3705。这里示出的快门都是共面的，这比图35中所示的更容易实现。图35中的2小透镜设备可以被稍微修改，以便也允许共面快门。图37中所示的4小透镜设计对于与用于双眼的单个16:9数字显示器一起工作也是兼容的，但它不限于单个显示器。因此，透镜的左上角的小透镜生成虚拟屏幕的左上部分，右上角的小透镜生成虚拟屏幕的右上部分，等等。这由图36C表示，其中两个点线正方形表示由左上角和右下角的小透镜生成的虚拟屏幕的部分，而虚线正方形3608和3609表示由右上角和左下角的小透镜生成的虚拟屏幕的部分，而虚线正方形3610和3611表示由右上角和左下角的小透镜生成的虚拟屏幕的部分，得到具有大约1:1的宽高比的更大的总视场，即，具有相似的水平和垂直视场。

在LCD数字显示器(要么透射要么反射)的情况下，可操纵准直背光可以被用作能量高效的替代方案(Fattal 2013)，或者这种背光与快门的组合。如果使用DMD数字显示器，那么可以利用DMD照明器的适当设计而不是使用快门来选择要照亮的小透镜。在DMD选项中，每个透镜部分有一个照明组。当DMD在显示与那个透镜部分对应的图像的一部分时，这个照明组仅为ON。照明组可以用LED加光学系统来实现，该光学系统均匀地并且在光一旦被处于其一种稳定状态下的DMD微镜反射就仅到达对应的小透镜的方向照射DMD。

10.杂散光的控制

杂散光被定义为由数字显示器发射、通过不同于在表面的光学设计中考虑的路径的路径到达瞳孔范围的光。应当避免这种光。由显示器发射的这种杂散光中的一些可以再次被设备朝着显示器偏转，并且一旦在那被反射，它就可以通过设计路径到达瞳孔范围，产生幻影(ghost)图像。

存在用于遮挡杂散光或将其偏转到瞳孔范围之外的不同策略的若干不同配置。

图38示出了在2小透镜光学元件3804的示例中所示的杂散光控制配置之一的水平横截面(顶视图)。为了定向，在图38中示出了用户的鼻子3811和眼睛3812。图38示出了特定杂散光控制的工作原理：遵循光线3808轨迹，我们看到由数字显示器3801发射的光穿过线性偏振器3802，然后穿过半波延迟器3803(其快轴与偏振的输入平面形成22.5°的角度。半波延迟器3803将线性偏振的输入光旋转两倍于延迟器快轴和偏振的输入平面之间的角度。之后，光线在透镜的表面3805上被折射，在镜面3806上被反射，再次在镜面3809上被反射，并在表面3810上朝着显示器被折射。然后光线第二次通过半波延迟器。现在，延迟器的快轴和偏振的输入平面之间的角度为-112.5°(-90°-22.5°)。(我们采用从半波延迟器的快轴到其慢轴的旋转方向作为“正”方向)。光在延迟器的快轴周围旋转225°并且其偏振方向总共改变90°。因此，光线被偏振器3802吸收。图39中示出了这种光学隔离策略的更详细的说明。

图39表示上面提到的配置的3D视图，其包括吸收线性偏振器3902、半波延迟器3903和2小透镜透镜3914。为了绘图的清晰，未示出数字显示器。半波延迟器的快轴被标记为3906并且其慢轴被标记为3907。从数字显示器发射的光线3901穿过水平对准的偏振器3902。离开偏振器3902的光的水平光偏振用粗体箭头标示为3909。水平偏振光落在其快轴3906与输入偏振方向3910形成22.5°角的半波片3903上。半波片相对于输入光偏振方向的旋转使得输入光偏振旋转两倍于半波片的快轴与偏振面的角度(用弧3908示出，2×22.5°＝45°)。我们在半波片的出口处获得相对于标记为3911的快轴的-22.5°的线性偏振。在透镜3914的背面反射镜3904和3905上进行两次镜面反射之后，光偏振将相对于初始方向改变约90°(假设两个反射器上的反射都处于45度入射角)，因此我们将具有用粗箭头3912示出的偏振。现在光第二次撞击到半波延迟器3903上。延迟器的快轴与偏振的输入平面之间的角度为-112.5°(-90°-22.5°)。如利用弧3915所示，光偏振在延迟器的快轴的周围被旋转两倍于半波片的快轴与偏振平面的角度(即，225°)。因此，偏振方向3913相对于初始方向3909总共改变90°。结果所得的光偏振方向与半波延迟器的快轴之间的角度为112.5°。我们已经获得了用3913示出的光偏振，其垂直于初始偏振方向3909并被偏振器3902吸收。可选地，偏振器3902可以被AR涂覆，以减少更多不期望的光反射。

可替代地，图15中的两部分配置可以被使用，将黑色吸收体放置在两个小透镜结合在一起的表面1518上，因此不需要延迟器。这种黑色吸收体还允许制作图15中的2部分设计而没有斜率不连续1512(即，其出射表面1504与图12中的设计的出射表面1203重合)，因为吸收体将防止试图跨过表面1518的光线达到瞳孔范围。

图40示出了用于杂散光控制的另一种可能配置。可以在系统的中央部分添加黑色吸收固体件，以防止不期望的光到达数字显示器。图40示出了这个提案在2小透镜示例上的工作原理。由数字显示器4001发射的光线4006穿过数字显示器上的无光泽层或我们可以可选地添加以减少反射的扩散器4002，然后光线在小透镜4008的表面4003上折射，在镜面4004上反射，并且再次在表面4003上折射。我们在其朝着数字显示器的路径上添加吸收光线4006的黑色件4005。黑色件4005可以充当透镜支撑件或透镜支架。在大多数实施例中，透镜表面4003的中心部分被金属化，因为在这个区域中一般不满足全内反射条件，因此不会由于这个不透明部件而引入附加的光遮蔽。

用于杂散光控制的另一个提议在图41中示出。为了吸收来自数字显示器的不期望的杂散光，2小透镜光学元件4107的中央外部部分4104被涂黑。遵循用光线4105示出的光路径，我们可以看到它是如何工作的。光线4105从数字显示器4101发射，然后代替遵循用虚线绘制的路径4106朝着数字显示器被反射，它被透镜4104的涂黑部分吸收。由于透镜表面4104的这个内部部分通常被金属化，因此通过将其涂黑，我们还可以保护金属化并遮挡来自其它方向的光。

虽然已经描述了具体的实施例，但是对实践本发明的当前预期模式的前述描述不应当被认为是限制性的，而仅用于描述本发明的某些一般原理。偏离所述具体实施例的变化是可能的。例如，上面交叉参考的专利和应用描述了可以有利地与本申请的教导组合的系统和方法。虽然已经描述了具体的实施例，但是本领域技术人员将理解不同实施例的特征可以如何组合。

本发明的全部范围应当参考权利要求来确定，并且任何两个或更多个权利要求的特征可以组合。

Claims (16)

1.一种显示设备，包括：

显示器，可操作以生成实像；以及

光学系统，包括一个或多个小透镜，被布置成通过每个小透镜将来自显示器的光投射到眼睛位置而从显示器上的相应部分实像生成虚拟子图像；

其中各子图像组合，以形成从所述眼睛位置可见的虚像；

其中至少一个小透镜使得光线从显示器到眼睛位置通过按以下次序被顺序地偏转至少四次：折射(R)、反射(X)、全内或金属反射(I)以及折射(R)(RXIR小透镜)。

2.如权利要求1所述的显示设备，还包括显示驱动器，所述显示驱动器可操作以接收输入图像，并生成相应的部分实像，使得所得的各虚拟子图像对准，以形成所述输入图像的虚像作为所述可见的虚像。

3.如权利要求1所述的显示设备，其中第一次折射(R)和全内或金属反射(I)由具有非重合的交叠通光孔径的同一表面执行。

4.如权利要求1所述的显示设备，其中所述一个或多个小透镜包括至少两个所述RXIR小透镜。

5.如权利要求1所述的显示设备，其中所述一个或多个小透镜包括至少一个所述RXIR小透镜和作为非RXIR小透镜的至少一个小透镜。

6.如权利要求5所述的显示设备，其中所述至少一个RXIR小透镜在可见虚像的中心部分处生成其虚拟子图像，并且所述至少一个非RXIR小透镜在虚像的更接近可见虚像的外周的部分处生成其虚拟子图像。

7.如权利要求1所述的显示设备，其中至少两个小透镜是不可叠加的。

8.如权利要求1所述的显示设备，被布置成产生部分虚像，所述部分虚像包含在眼睛的瞳孔在瞳孔范围内的情况下当所述眼睛处于所述眼睛位置处的假想球体的位置处时由所述眼睛投射到所述眼睛的1.5mm视网膜中央凹上的视网膜中央凹部分，所述视网膜中央凹部分的分辨率比所述可见虚像的外周部分的分辨率高。

9.如权利要求1所述的显示设备，其中光学器件被放置在到处于眼睛位置处的眼球在5和40mm之间的距离的位置处，所述至少一个小透镜形成对着从眼球的最近点起的包含具有40度全角的锥体的立体角的阵列，其中显示器位于光学器件的远离眼球的一侧，与光学器件的距离不大于80mm。

10.如权利要求1所述的显示设备，其中显示器上的相应部分实像包括在显示器的同一部分上交叠并且在不同时段期间被激活的至少两个部分实像，并且其中不同的小透镜将显示器的所述同一部分成像到虚像的不同位置处的不同子图像。

11.如权利要求1所述的显示设备，还包括去除对虚拟子图像无贡献的光的杂散光控制系统。

12.如权利要求11所述的显示设备，其中杂散光控制系统包括在显示设备的一部分中的光吸收材料，所述部分不被对虚拟子图像有贡献的光线穿过。

13.如权利要求11所述的显示设备，其中杂散光控制系统包括被布置成吸收朝显示器被往回反射的光的偏振器和半波旋转器。

14.如权利要求1所述的显示设备，还包括使用相机的眼睛跟踪系统。

15.一种头戴装置，包括如权利要求1所述的显示设备，具有用于将显示设备定位在人的头部上的安装座，显示设备的眼睛位置与人的眼睛重合。

16.如权利要求15所述的头戴装置，还包括如权利要求1所述的第二显示设备，安装成第二显示设备的眼睛位置与人的第二只眼睛重合。