CN108139588A - 宽视场头戴式显示器 - Google Patents

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Abstract

一种用于向观看者显示的光学设备具有凹球面镜，所述凹球面镜具有在观看者瞳孔处的曲率中心并且具有第二曲率半径。图像生成设备将图像形成到球形漫射表面上，其中，所述球形漫射表面具有第一曲率半径，所述第一曲率半径基本上是第二曲率半径长度的一半。分束器沿着凹球面镜的主轴定位，并且将弯曲的漫射表面光学设置在凹球面镜的焦面处。

Description

宽视场头戴式显示器
本申请根据35U.S.C.§119要求于2015年10月8日提交的系列号为62/238976的美国临时申请的优先权权益，本申请以该申请的内容为基础，并通过引用的方式全文纳入本文。
技术领域
本公开一般涉及可佩戴式显示装置，更具体地，涉及用于具有单心瞳孔成像系统的宽视场头戴式显示器的设备和方法。
背景技术
可佩戴式显示装置可以在使用常规显示屏是累赘的应用中向观看者提供图像内容。正在考虑头戴式装置(HMD)(例如显示护目镜)并用于各个领域，其中应用范围涉及军事、医疗、牙科、工业和游戏领域等等。立体成像凭借其增强的空间表现力和改进的相关细节呈现方式，相比于使用二维(2D)平面显示器，其可特别用于呈现更加逼真的图像以及更精确地显示深度信息。
尽管在提高可佩戴显示装置的可用性、尺寸、成本和性能方面已经取得了许多进展，但仍有相当大的改进空间。特别是，向观看者呈现电子处理图像的成像光学器件是令人失望的。事实证明，常规的设计方法很难根据要求的尺寸、重量和放置要求进行缩放，常难以解决与视场角及失真、眼距、瞳孔大小以及其他因素相关的问题。
需要可佩戴显示器的方案，其允许增加视场角，减少像差、足够大的瞳孔大小以及在低成本的情况下具有良好的整体性能，从而提供易于制造且本质上适合于人类视觉系统的HMD。
发明内容
根据本文所述的本公开的一个实施方式，提供了用于向观看者显示的光学设备，所述光学设备包括：
凹球面镜，其具有在观看者的瞳孔处的曲率中心并且具有第二曲率半径；
图像生成设备，其在球形漫射表面上形成图像，其中，所述球形漫射表面具有第一曲率半径，所述第一曲率半径大致是第二曲率半径长度的一半；和
分束器，其沿凹球面镜的主轴定位，并且将弯曲的漫射表面光学设置在凹球面镜的焦面处。
根据本公开的一个替换性实施方式，提供了用于向观看者显示的头戴式光学设备，所述头戴式光学设备包括：
a)沿着光轴引导调制光的光源；
b)扫描设备，其包括
(i)限定沿着光轴的焦点的聚焦透镜；
(ii)扫描镜，其可被致动以折叠光轴并将扫描光的焦点重新定向到球形弯曲的漫射表面上；
(iii)其中，球形弯曲的漫射表面具有在扫描镜处的其曲率中心并具有第一曲率半径；
c)凹球面镜，其曲率中心接近观看者的瞳孔并且具有第二曲率半径，该第二曲率半径基本上是第一曲率半径的长度的两倍；以及
d)分束器，其被设置成将来自漫射表面的扫描光重新导向凹球面镜，并且被设置成在观看者的瞳孔与扫描镜之间提供光学共轭关系。
在以下的详细描述中给出了其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言是容易理解的，或通过实施书面说明书和其权利要求书以及附图中所述实施方式而被认识。
应理解，上文的一般性描述和下文的具体实施方式都仅仅是示例性的，并且旨在提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
包括的附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各个实施方式的原理和操作。
附图说明
图1为示出了与球面镜相关的光学特性和关系的示意性侧视图。
图2为根据本公开的一个实施方式，在头戴式光学设备中使用球形曲面镜成像的示意性侧视图。
图3为示出了用于立体观看的头戴式光学设备的透视图。
图4是从侧面看的透视图，其示出了用于例如左眼成像的组件，并且示出了一些示例性光线。
图5为示出了头戴式光学设备的替换性实施方式的示意图，其同样使用左眼成像作为实例。
图6A是从正视图的角度观察的示出了头戴式光学设备的示意图，其具有用于增强现实构造中的右眼成像的示例性射线。
图6B是从正视图的角度观察的示出了头戴式光学设备的示意图，构造该头戴式光学设备以利用任选的增强现实构造进行虚拟现实观看。
图7A为示出了使用投影仪的图像生成设备的示意图，所述投影仪使用空间光调制器。
图7B为示出了使用空间光调制器形成平铺图像的示意图。
图8为示出了在一个替换性实施方式中使用投影仪的图像生成设备的示意图，所述投影仪使用空间光调制器。
图9A为示出了使用形成于发射显示表面上的图像的显示设备的示意性侧视图。
图9B为示出了使用形成于发射显示表面上的图像的显示设备的示意性透视图。
具体实施方式
提供本文所示及所述的附图以说明根据各个实施方式的光学设备的操作以及制造的关键原理，这些附图中的许多附图并不旨在示出实际尺寸或比例。可能需要夸大一些以强调基本结构关系或者操作原理。
所提供的附图可能不会示出各种支承组件，包括光学安装座、电源、图像数据源以及用于显示设备的标准特征的电路板安装方式。光学领域的技术人员应理解，本发明的实施方式可使用许多类型的标准安装座和支承组件。
在本公开的上下文中，诸如“顶部”和“底部”或者“上方”和“下方”或“下面”的术语是相对的，并非用来表示组件或者表面的任意必然取向，而是简单地用于表示并区分组件或设备内的视图、相对表面、空间关系或不同的光路。类似地，例如，可以相对于附图使用术语“水平”和“垂直”，以相对于标准观看条件描述不同平面中的组件或光的相对正交关系，但是并不表示组件是相对于真正的水平和垂直取向的任意要求的取向。
如果使用术语“第一”、“第二”、“第三”等，则它们不一定表示任意顺序或者优先关系，而是用于更清楚地将一种元件或时间间隔与另一种元件或时间间隔区分开。这些叙述语用于在本公开的上下文和权利要求书中清楚地将一个元件与另一个相似元件区分开。
术语“观看者”、“观察者”和“用户”在本公开的上下文中可互换使用，以表示佩戴可佩戴光学设备的人。
如本文所使用的，术语“可激发的”涉及在接收到功率时，以及任选地在接收到一个或多个启用信号时，即执行所指示的功能的装置或一组组件。例如，激光二极管是可激发的以发射激光束，并且可被调制以根据图像数据信号呈现图像。
在本公开的上下文中，当两个平面、两个方向矢量或两个其他几何特征的实际或投影相交角在90度+/-2度内时，则被认为是基本上正交的。
在本公开的上下文中，术语“倾斜”或短语“斜角”用于表示不同于法角的斜的非法角，也就是说，沿着至少一个轴与90度或90度的整数倍相差至少约2度或更多。例如，使用该一般定义，斜角可以比90度大或小至少约2度。
在本公开的上下文中，术语“耦合”旨在表示两个或更多个组件之间的机械关联、连接、关系或链接，使得一个组件的布置影响与其耦合的组件的空间布置。对于机械耦合来说，两个组件无需直接接触，而是可通过一个或多个中间组件链接。
在本公开的上下文中，术语“左眼图像”描述了在观看者的左眼中形成的虚拟图像，并且“右眼图像”描述了在观看者的右眼中形成的对应的虚拟图像。由于立体成像技术领域的技术人员广泛理解该概念，因此短语“左眼”和“右眼”可以用作形容词来区分用于形成立体图像对的每个图像的成像组件。
术语“……中的至少一种”用于意指可选择所列条目中的一种或多种。术语“约”或“近似”在参考尺寸测量或位置使用时，意为尺寸测量或位置在实际接受的测量误差和不准确度的预期容差内。所列出的表达值可以与标称值稍微不同，只要与标称值的偏差不会导致过程或结构不符合所例示的实施方式的要求。
关于尺寸，术语“基本上”意为在几何精确尺寸的+/-12％以内。因此，例如，如果第一尺寸数值在第二数值的约44％至约56％的范围内，则第一尺寸数值基本上是第二数值的一半。相对于合适的参考尺寸(例如曲率半径、焦点、组件位置或光轴上其他点)，当彼此的距离尺寸基本相同，相距不超过约12％，优选在5％或1％以内或更小距离时，则空间中的位置彼此“接近”或紧邻。
术语“可致动”具有其常规含义，涉及响应于刺激(例如响应于如电信号)而能够实施动作的装置或组件。
如本申请中使用的术语“信号连通”意为两个或更多个装置和/或组件经由在某种类型的信号路径上传播的信号而彼此连通。信号连通可以是有线或无线的。信号可以是通信信号、功率信号、数据信号或能量信号，其可以将信息、功率和/或能量从第一装置和/或组件沿着在第一装置和/或组件与第二装置和/组件之间的信号路径传送到第二装置和/或组件。信号路径可以包括第一装置和/或组件与第二装置和/或组件之间的物理、电、磁、电磁、光学、有线和/或无线连接。信号路径还可以包括第一装置和/或组件与第二装置和/或组件之间的另外的装置和/或组件。
术语“示例性”表示描述用作实例而不是暗示其是理想的。
单心设计提供了许多优点并且有助于减少像差。然而，单心设计可能难以适用空间非常重要的光学系统。一般来说，单心系统允许全部视场角中具有相同的性能，从而当与非单心系统相比时允许扩展到更大的视场。
关于光学设备的组件位置或曲率中心或其他特征，术语“接近”具有如光学设计领域的技术人员使用的其标准内涵，同时考虑了例如预计的制造容差和测量不准确度，以及考虑了光的理论性质和实际性质之间的预计差异。
在本公开的上下文中，短语“光学设置”与在光学设计领域的技术人员中所使用的一致。该短语表示基于分束器表面的透射或反射的光学等效。关于参比组件，当第二组件的光处理性质表现出与其实际放置在该特定位置时的性质相等时，则将第二组件光学设置在该特定位置。
众所周知，特定光学系统内部及来自于其的光分布取决于其整体构造，该整体构造无需是几何完美的或者对于合适的性能而言表现出理想的对称性。例如，完美的旋转对称球面反射器能够理想地使平行于光轴的平行光通过其顶点引导至“焦点”。然而，如光学制造领域的技术人员所熟悉的，在实际中只能合理地近似这种理想化的几何形状，并且对于像差减小的成像来说不需要完美的焦点。将用于球面镜的光分布更精确地描述为聚焦在基本上以焦点为中心的小区域上；然而，出于描述的目的，使用常规术语，例如“焦点”和“曲率中心”，这对于光学设计的技术人员来说是熟悉的。
回顾一些与使用球面镜的光学系统有关的光学概念是有用的。参考图1的示意图，该图以侧视图表示形式示出了球面镜S1，其具有沿着主轴OP的曲率中心CC。在镜S1的曲率中心CC与顶点V之间的中点是聚焦中心处的焦点CF，所述顶点V在主轴OP和镜S1表面的交点处。如果点CF距离镜S1顶点V的距离为f；则曲率中心CC距离顶点V的距离为2f。通过焦点CF向镜S1发射的光在被镜S1反射后是准直的。表面S2以虚线圆弧示出，其包括沿着主轴OP的焦点CF，当表面S2相对于镜S1表面同心时形成了相对于镜S1的弯曲焦面。在镜S1的角度范围内，从焦面S2或焦面S2上的光交叉点发射的光表现出与焦点CF处的光类似的性质。因此，从球形弯曲的焦面S2发射的光基本上通过球面镜S1准直。
本公开的实施方式采用球面镜光处理方面来协助提供头戴式显示设备，该头戴式显示设备与替换性设计相比表现出像差减小及图像质量得到改进。
图2的截面示意图示出了本公开的图像形成设备28的一个实施方式，其在头戴式光学设备10中使用球形曲面镜S1成像。为了清楚起见，示出了用于针对单眼E生成图像的组件；对于立体头戴式设备10，复制图2所示的基本组件，从而具有针对另一只眼睛的类似的图像形成设备28。镜S1在观看者的眼E的瞳孔P处或附近具有其曲率中心。将分束器20置于眼E与镜S1之间，其基本上以光轴OA为中心，以使得其将弯曲的漫射表面30光学设置在镜S1的焦面处。
在图2中，由漫射表面30通过分束器20提供的焦面的光学等效位置以表面S2'表示。图像生成设备50，例如使用激光投影仪48和扫描组件的扫描设备66，产生了具有一个或多个图像像素的图像，并且将形成该图像的光投影及聚焦到漫射表面30上。在图2所示的实施方式中，扫描设备66具有扫描镜40和透镜44以将生成的图像聚焦到漫射表面30上。任选的控制逻辑处理器24与激光投影仪48信号连通。控制逻辑处理器24可以是专用微处理器或连接的计算机或其他信号发生装置，其可以被激发以为激光投影仪48提供图像内容和控制信号。控制逻辑处理器24还与扫描镜40连接，以用于使激光束的调制与扫描镜40的对应角度协调；图2中未明确示出该连接。
扫描镜40使调制光束穿过弯曲的漫射表面30的速率以及在扫描之前调制光束的速率均决定了可获得的图像分辨率。扫描速度是决定可以在图像的给定区域上显示的像素数目的一个因素。本公开的实施方式利用在扫描镜40扫描中改变其速度的能力，增加了投影图像的中央部分上的图像像素的密度，从而使得观看者觉察到分辨率更高的图像。在由设备10形成的图像的范围内，可将像素密度改变一定量，以使得对于图像的一个给定部分，像素密度比其他区域更高，例如每英寸多5％或10％的像素。
改变像素密度可有效地提高成像，例如通过增加视场角中心部分中的像素密度来改变像素密度。人眼本身在中央凹区域具有更好的视觉分辨率，以朝向视场边缘的角度对分辨率的感知下降。因此，稍微减慢对漫射表面30上的图像的中心区域的扫描，或者增加该部分的扫描循环的光调制速率，或者既改变扫描速率又改变调制速率，可以允许在由头戴式设备10形成的虚拟图像的不同区域内的像素密度的改变。
在图2头戴式光学设备10的实施方式中示出了支持单心成像的多种几何和光学关系。漫射表面30在扫描镜40处具有其曲率中心。以半径R1示出的漫射表面30的曲率半径是以半径R2示出的球面镜S1的曲率半径的一半，并且在顶点V与瞳孔P之间延伸。瞳孔P通过分束器20和镜S1与扫描镜40光学共轭。
透镜44沿着光轴OA限定焦点FP，如图2构造中的透镜44的右侧所示。在光到达透镜44的无偏移焦点(在图2中以FP'表示)—其位于沿着透镜44的旋转对称轴—之前，扫描镜40折叠光轴OA并将焦点(聚焦区域)重新定向到凸形球面弯曲漫射表面30上。根据本公开的一个实施方式，扫描镜40是微机电系统(MEMS)装置的反射扫描组件。MEMS器件包括许多机械组件，这些机械组件提供了小型机械和机电元件(即，装置和结构)的系统，所述小型机械和机电元件使用与用于形成半导体装置的微加工技术相似的微加工技术制造。MEMS装置可以由不具有移动元件的相对较简单的结构到受集成微电子装置控制的具有多个移动元件的极其复杂的机电系统不等。在MEMS装置中，无论元件自身是否是可移动的，至少一些元件具有机械功能。MEMS装置被替换性地称为“微加工装置”或使用微系统技术形成和操作的装置。单个移动的MEMS元件的物理尺寸范围可从远低于1微米到几毫米。在本公开的上下文中，MEMS装置提供了可机械移动的元件(例如反射器)，其可被激发以临时地并在空间上调制激光束，从而使用光栅扫描模式提供二维图像。
分束器20被设置成将来自漫射表面30的扫描光重新导向凹球面镜S1，并且被设置成在观看者的瞳孔P与扫描镜40之间提供光学共轭关系。
仍然参考图2，由于漫射表面30的曲率中心在扫描镜40处，并且由于透镜44的焦点与镜40相距R1，因此，形成的扫描图像沿着弯曲的漫射表面30聚焦。然后，弯曲的球面镜S1可针对球面波前相对无像差的观看者的眼睛E形成图像。漫射表面30的使用提供了球形中间图像，其有效地增加了数值孔径(NA)和承载图像的光的集光率，以在观看者的瞳孔P处产生大的出射光瞳[或更大的眼动范围(eye-box)]。在没有来自漫射表面30的低NA入射光漫射的情况下，只能形成微小的瞳孔；在这种情况下产生的瞳孔将仅具有MEMS扫描镜40的尺寸。透镜44可以为直接设计的简单球面透镜，因为它用于使用低NA光学器件将光聚焦在小视场上。然而，会折衷一些亮度，图2的光学器件用于形成尺寸减小的系统。透镜44在漫射表面扩展NA之前沿着光路定位，其可以是一个简单的透镜以用于处理低NA和小视场的光线。
如上所述，头戴式光学设备的立体实施方式针对观看者的每只眼睛可具有图2的图像形成设备28的组件。图3的透视图示出了用于立体观看的头戴式光学设备10。对于用于图3的左眼EL的图像形成设备28L，标记图像生成设备50的组件，并且追踪光路；重复的组件和对应的光路用于右眼ER。通过透镜44将来自激光投影仪48或其他图像来源的承载图像的光聚焦到凸的球形弯曲的漫射表面S2L上。分束器20将该光导向针对眼睛EL来形成图像的球面镜S1L。弯曲的漫射表面S2R和球面镜S1R操作相似以形成针对右眼ER的图像。
图4是从侧面看的透视图，其示出了用于左眼EL成像的图像形成设备28L的组件并且示出了一些示例性光线。如该图所示，可使瞳孔P显著扩大以提供扩展的观看眼动范围。例如，根据本公开的一个实施方式，FOV可大至45度(水平)×25度(垂直)。凸形漫射表面30的半径R1可为40mm。球面镜的半径R2可为80mm。透镜44的焦距可为50mm。应理解，可替换性地使用具有其他曲率和焦距的组件。
图4还示出了任选的摄相机22，其可用于视线跟踪，例如检测观看者的眼睛EL和瞳孔P的位置以及确定如何更改图像呈现方式以适应观看者的注意力改变。摄像机22可通过如图所示的分束器20观察眼睛的位置。摄像机22还与控制逻辑处理器22信号连通。
在本公开的上下文中，分束器20可以是“部分透明的”或“基本上透明的”。部分透明的分束器装置透射小于50％的可见入射光并反射剩余的光，从而重新引导高于50％的入射光。基本上透明的分束器装置透射大于50％的可见入射光并反射剩余的光，从而重新引导小于50％的入射光。
图5的示意图示出了头戴式光学设备10的一个替换性实施方式，其中分束器20根据本公开使用的定义是基本透明的。图5再次使用左眼成像EL作为实例。此处，改变球面镜S1L的位置以使其反射已经透射过分束器20的光，而不是反射例如如图2-4所示的从分束器20反射的光。使用该构造，增强现实成像现在是可能的，因为观看者可看见比部分透明的分束器20(例如沿着光轴OA)远的真实情景，以及由激光投影仪48生成并由曲面镜S1L反射的图像。
在图5的配置中，分束器20沿着凹球面镜S1L的主轴OP定位，并且通过透射将弯曲的漫射表面30光学设置在凹球面镜S1L的焦面处，并且被进一步设置以在观看者的瞳孔与扫描镜40之间提供光学共轭关系。
图6A的示意图从正视图的角度示出了头戴式光学设备10，其具有用于增强现实构造中的右眼ER成像的示例性射线。再一次，复制用于左眼EL成像的组件和光路。
根据本公开的另一个替换性实施方式，图2-4的虚拟现实构造可以与图5和6A的增强现实构造组合以提供混合虚拟现实成像系统，其针对一只眼睛使用图4的曲面镜配置，而对另一只眼睛使用图5的反射配置。图6B的示意图示出了分别具有左及右图像形成设备28L和28R的本公开的一个替换性实施方式，其提供了视场角加宽的虚拟现实成像。使曲面镜S1R定位成将通过如图5所示的分束器20反射的光反射到眼睛；使曲面镜S1L定位成将通过如图4所示的分束器20透射的光反射到眼睛。
相比之下，图6A的构造显示了曲面镜S1R和S1L彼此相关，使得一个镜相对于水平轴线变大会使另一个镜变小。另一方面，在图6B的配置中，镜S1L和S1R彼此不妨碍，这些镜中的每一面镜可在视场的整个宽度上延伸，从而提供相当大的FOV。图6B还以虚线的形式示出了任选的阻挡屏64，其阻挡了原本在观看者的视线中的环境光。或者，可移除阻挡屏64。移除屏64可允许观看者的一只眼睛(在图6B的实例中为右眼)为增强现实观看，而另一只眼睛为虚拟现实成像。
还应注意，对于不期望增强现实并且仅需要电子生成图像的实施方式，可针对一只或两只眼睛替换性地阻挡来自真实世界的光，例如通过屏蔽阻挡。
可适用于在弯曲的漫射表面30上形成图像的其他类型的成像来源包括各种类型的空间光调制器(SLM)。图7A的示意图和图7B的透视图示出了使用投影仪58的图像生成设备50，所述投影仪58使用SLM 62。投影仪58将光引向可致动的镜60，该可致动的镜60依次将一系列小的二维图像片段或“平铺图”T扫描到漫射表面30上以形成用于投影的图像，从而提供宽的FOV和大的观看瞳孔。图7B示出了可致动的镜60位于一定的位置以对较大图像的平铺图T中的一个平铺图成像。通过迅速形成单个2-D平铺图并将其投影到用于形成图像的球面上，本公开的设备可呈现用于立体成像的一组生动的图像。
可使用各种类型的SLM装置，包括来自得克萨斯州达拉斯的德州仪器(TexasInstruments,Dallas,TX)的数字光处理器(DLP)；例如液晶装置(LCD)、有机发光二极管(OLED)、LCOS(硅基液晶)装置或光栅机电装置。可替换性地使用在弯曲的漫射表面30上扫描的线性光调制器。
图8的示意图示出了使用具有SLM的投影仪58并且不要求使用转向镜或扫描镜的替换性实施方式。投影仪58通过任选的透镜44将光引到弯曲的漫射表面30上。
用于增加所形成的中间图像的NA的漫射表面30可以多种替换方式制造。漫射表面30可以是光纤面板或经过处理的玻璃或塑料组件，其具有经过研磨处理或化学处理的表面。或者，可以使用全息漫射表面和弯曲漫射膜。全息漫射表面和漫射膜可购自许多供应商，例如Orafol Gmbh、Avon、CT和加利福尼亚州托伦斯市的物理光学公司(PhysicalOptics Corporation,Torrance,Calif)。球面镜S1可以是提供了曲面镜的性能但是具有另外的平坦性优点的全息反射性元件。例如，镜S1可以替换性地为菲涅耳(Fresnel)反射性元件。
应注意的是，全息装置或菲涅耳透镜或镜虽然不表现出几何曲率，但其具有与其作为反射或折射元件的光学性质相对应的有效光学曲率中心。因此，例如，具有与球面镜S1等同的光重新定向能力并具有相同焦面的菲涅耳镜具有与镜S1相同的有效光学曲率中心。
中间图像可替换性地由被构造用于在漫射表面上形成图像的显示装置生成。图9A和9B分别示出了使用由发射显示表面72生成的源图像的显示设备70的示意性侧视图和透视图，所述源图像例如形成在发射型有机发光二极管(OLED)显示装置上或者背光液晶显示(LCD)装置上的图像。对于针对每只眼睛形成图像，光纤面板74具有平面的光入射表面78，其靠向平坦的发射显示表面72，并且将从显示器发射的光传送到其弯曲的凸形漫射表面30。分束器20和球面镜S1、S1L、S1R起到与前文关于由投影和扫描显示装置形成的中间图像所述相同的功能。曲率关系和中间图像放置遵循前文参考扫描的光的实施方式所述的模式。
如在图9A的放大区域Q中示意性示出的，光纤面板74由数百或数千个平行光纤76形成。每根光纤76从平面的光入射表面78延伸到弯曲的扩散表面30；纤维76的宽度可以为任意合适的尺寸，在实际中，其通常是显示表面72的像素尺寸的分数。随着每根纤维76增加了从显示表面72的相应部分入射的光的NA，发生漫射。如图9B示意性所示，存在用于对每只眼睛形成图像的光纤面板74。可使用单个显示表面72或分离的显示表面72以提供左眼图像内容和右眼图像内容。
可将本公开的实施方式结合到HMD或其他类型的可佩戴显示器中以用于单视场的或立体的增强现实或虚拟现实观看。或者，示出的显示设备的一个或多个构造可具有一些用于单视场观看或立体观看的其他构造，例如手持构造。
根据本公开的另一个替换性实施方式，投影系统用于聚焦光以在球形表面S1的焦面处形成图像，但是不要求具有漫射表面30。然而，受MEMS扫描镜的NA(数值孔径)限制，该配置将表现出小的瞳孔尺寸。
激光投影仪可包括彩色合成仪，其合并不同颜色的分量束，例如具有红色、绿色和蓝色波长的束。或者，激光器可远离其他头戴式设备组件，其中激光器的光被引导通过光纤以向光学系统提供图像内容。
然而，应注意的是，在实际中，在光学设计中使用术语“单心”不像要求是完全同心表面的单心系统的严格几何定义那么严格。例如，在光学系统中，设计完全几何单心的系统通常是不可行或者甚至是不期望的。在这种情况中，例如，观看者的两只眼睛不能固定在原本严格的几何系统所要求的确切位置上。即使在观看者的眼动范围内，也必须允许一定的容差来移动眼睛。
单心光学系统一般以其曲面具有相对较高程度的对称性为特征。因此，术语“单心”表示系统设计形式具有两个或更多个基本上同心的系统曲面，其允许合理的光学容差以及允许对用于生成及引导图像场景内容的非球面进行缩放和一些调整。在图6A所示的头戴式光学设备10的情况中，球面镜S1R的基本上同心的曲面和其相应的弯曲的漫射表面30，它们各自的曲率中心位于或接近彼此，如在2-4mm内或更小。该曲率中心位于扫描镜40处或靠近扫描镜40。曲率中心可以沿着通过折叠元件(例如分束器20)的折叠路径。
除非另有表述，否则都不旨在将本文所述的任意方法理解为需要使其步骤以具体顺序进行。因此，如果方法权利要求实际上没有陈述为其步骤遵循一定的顺序，或者其没有在权利要求书或说明书中以任意其他方式具体表示步骤限于具体的顺序，则都不旨在暗示该任意特定顺序。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以对本发明进行各种修改和变动而不偏离本发明的范围或精神。因为本领域的技术人员可以想到所述实施方式的融合了本发明精神和实质的各种改良组合、子项组合和变化，应认为本发明包括所附权利要求书范围内的全部内容及其等同内容。

Claims (23)

1.一种用于向观看者显示的光学设备，所述光学设备包括：
凹球面镜，其具有在观看者瞳孔处的曲率中心并且具有第二曲率半径；
图像生成设备，其将图像形成到球形漫射表面上，其中，所述球形漫射表面具有第一曲率半径，所述第一曲率半径基本上是第二曲率半径长度的一半；和
分束器，其沿凹球面镜的主轴定位，并且将球形漫射表面光学设置在凹球面镜的焦面处。
2.如权利要求1所述的设备，其中，图像生成设备包括激光光源、扫描镜以及将一个或多个图像像素聚焦到球形漫射表面上的透镜。
3.如权利要求1所述的设备，其中图像生成设备包含空间光调制器。
4.如权利要求1所述的设备，其中图像生成设备包含线性光调制器。
5.如权利要求2所述的设备，其中，分束器折叠光轴以将球形漫射表面设置在球面镜的焦面处。
6.如权利要求2所述的设备，其中，分束器将来自球形漫射表面的光透射到球面镜。
7.如权利要求1所述的设备，其中，图像生成设备将一个或多个二维图像平铺图投射到球形漫射表面上。
8.如权利要求1所述的设备，其中，凹球面镜包含一个或多个全息光学元件。
9.如权利要求1所述的设备，其中，图像像素密度在图像的范围内变化超过5％。
10.一种用于向观看者显示的头戴式光学设备，其包括：
a)沿着光轴引导调制光的光源；
b)扫描设备，其包括
(i)限定沿着光轴的焦点的聚焦透镜；
(ii)扫描镜，其能够被致动以折叠光轴并将扫描光的焦点重新定向到球形弯曲的漫射表面上；
(iii)其中，球形弯曲的漫射表面在扫描镜处具有第一曲率中心并且具有第一曲率半径；
c)凹球面镜，其具有在接近观看者的瞳孔的第二曲率中心并且具有第二曲率半径，所述第二曲率半径基本上是第一曲率半径的长度的两倍；以及
d)分束器，其沿着凹球面镜的主轴定位，并且将弯曲的漫射表面光学设置在凹球面镜的焦面处，并且被进一步设置以在观看者的瞳孔与扫描镜之间提供光学共轭关系。
11.如权利要求10所述的设备，其中，弯曲的漫射表面包含光纤面板。
12.如权利要求10所述的设备，其中，分束器透射超过一半的接收自光源的入射光。
13.如权利要求10所述的设备，其中，弯曲的漫射表面为经过处理的玻璃组件或漫射膜。
14.如权利要求10所述的设备，其还包括设置用于检测观看者瞳孔位置的摄像机。
15.如权利要求10所述的设备，其中，凹球面镜为全息元件或菲涅耳反射性元件。
16.如权利要求10所述的设备，其中，光源包括至少一个激光器。
17.如权利要求10所述的设备，其中，扫描镜为微机电系统装置。
18.如权利要求10所述的设备，其中，针对观看者的每只眼睛复制光源、扫描设备、球面镜和分束器。
19.如权利要求10所述的设备，其中，分束器折叠凹球面镜的主轴。
20.一种头戴式显示设备，其分别包含左图像形成设备和右图像形成设备，以用于向观看者的左瞳孔和右瞳孔分别显示，每个图像形成设备包括：
a)沿着光轴引导经过调制的激光的激光光源；
b)扫描设备，其包括
(i)限定沿着光轴的焦点的聚焦透镜；
(ii)扫描镜，其能够被致动以折叠光轴并在球形弯曲的漫射表面上扫描焦点；
以及
c)分束器，设置其以将扫描光从漫射表面引导向凹球面镜，
其中，球面镜在观看者的对应的瞳孔处具有第一曲率中心，
其中，弯曲的漫射表面沿着球面镜的焦面设置并且在扫描镜处具有第二曲率中心，
其中，关于球面镜，观看者的每个对应的瞳孔通过分束器与对应的扫描镜光学共轭。
21.一种显示设备，其包括
a)发射承载图像的光的平坦的显示表面；
b)左图像形成设备和右图像形成设备，以各自用于向观看者的左瞳孔和右瞳孔分别显示，每个图像形成设备包括：
(i)凹球面镜，其具有与对应的观看者瞳孔光学共轭的曲率中心并且具有第二曲率半径；
(ii)光纤面板，其具有平面的光入射表面，所述平面的光入射表面靠向平坦的显示表面，以及具有与入射表面相对的弯曲的成像表面，其由发射的承载图像的光形成球形弯曲图像视场，
其中，弯曲的成像表面具有第一曲率半径，所述第一曲率半径基本上是第二曲率半径的长度的一半；
以及
c)分束器，其沿着每个凹球面镜的主轴定位，并且将对应的弯曲成像表面光学设置在凹球面镜的焦面处以用于左图像形成设备和右图像形成设备。
22.如权利要求21所述的显示设备，其中，平坦的显示表面为有机发光二极管显示器。
23.如权利要求21所述的显示设备，其中，平坦的显示表面为背光液晶显示(LCD)装置。
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