CN1391126A - 用于立体显示的头戴式光学装置 - Google Patents

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CN1391126A CN02122762.4A CN02122762A CN1391126A CN 1391126 A CN1391126 A CN 1391126A CN 02122762 A CN02122762 A CN 02122762A CN 1391126 A CN1391126 A CN 1391126A
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J·A·阿戈斯蒂内利
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Abstract

一种可提供具有很宽视野光瞳成像的头戴式光学装置(10)。该头戴式光学装置(10)使用一种光学部件的单中心配置，提供虚像的立体显示，该虚像用电子学方法产生并从弯曲表面(68)投射成左图像和右图像。对于每个右图像和左图像来说，一球透镜组件(30)被用来将由该曲面显示表面(68)显示的中间图像投射向一分束器(16)，它将中间图像引导到对准该图像的曲面镜(24)的前聚焦面，以便形成一虚像。该分束器(16)将该虚像传送给观察者的每个眼睛。

Description

用于立体显示的头戴式光学装置
发明领域
本发明一般涉及用来观察电子学方法产生的立体图像的头戴式显示系统，更具体地是涉及一用来配置光学部件的装置和方法，以便提供具有很宽视野和大的出射光瞳的头戴式光学装置。
发明背景
立体显示系统的潜在价值在娱乐和仿真领域特别受到广泛重视。总体目标是在具体应用的限制条件内提供可能的最逼真的显示。逼真的立体显示是以很多可量化的特点为特征的，这些特点包括宽的视野(水平和垂直的)、清晰的图像分辨率、和足够的亮度。
立体成像的一个备选方案由头戴式显示器(HMD)提供。护目镜，眼镜、类似的观察镜在很多方面已被用来提供小型的，重量轻而且价廉的具有立体效果的头戴式光学装置。利用观察镜的方法包括从对每只眼睛利用具有不同的偏振滤光片的透镜到利用使左眼和右眼的可视性交替变化的光闸(shutter)，前者公开在专利，例如，U.S.PatentNo.6,034,717(Dentinger等人)中，后者公开在，例如，U.S.PatentNo.4,021,846(Roese)中。交变的光闸机构是一彩色光闸，如公开于U.S.Patent No.5,903,395(Rallison等人)中的那样，它提供以高频变化的彩色光闸。特别是在用于接纳一大群观察者时，这种方法可能是经济的。但是，要求利用一分离的外部显示器，如一显示屏或CRT就意味着这样的方法必须具有一大的机座面积，因而不很适合于单个观察。这样，可见，对于其中显示的立体图像被包含在头戴式显示器自身中的观察镜配置来说就具有一些优点。
在市场上出售有很多的提供立体或非立体成像的HMD和面戴式装置(FMD)。提供立体成像的HMD的一个例子是来自加州Half Moon Bay的iReality.com，Inc.的Cyber Eye CE 200S。另一个例子是来自弗吉尼亚州Mclean的n-vision，Inc.的宽视野头戴式显示器Datavisor80TM。提供非立体成像的HMD是日本东京的Olympus Optical Company的产品Eye-TreckTM。
尽管现今市场上提供的HMD装置为某些应用提供了适当的成像，但还是有改进的余地。例如，逼真的立体成像要求一宽的视野。但是，现行的装置在这方面却受到了限制。例如，Cyber Eye CD 200S HMD声称在水平方向的视野限于22.5°，在垂直方向限于16.8°。Eye-Treck HMD声称水平方向的视野小于40°，垂直方向小于22°。Datavisor 80装置，虽然声称水平视野为120°，但对于大多数应用来说却是比较大的，而且也太昂贵。市场上提供的装置的分辨率也是有限制的。因而，尽管对于某些应用来说，如计算机的监视显示器，图像质量是可接受的，但现行装置所达到的性能指标对于虚拟现实应用的较宽范围来说则是不够的。
HMD制造商的产品说明书(iReality.com，Inc.at www.ireality.Com/hmds.html)称：对于HMD设计来说，清晰的分辨率和宽视野成像可被认为是“相互排斥”的。无疑地，在小巧轻型的HMD中提供清晰分辨率、宽视野成像的困难在光学实际技术中是很好理解的，而且传统的方法仅在获得逼真立体成像方面作了适度的改进。在光学设计技术中，大家都很明白，HMD设计提出有很多严格限制，很多的光学参数是固定的和不可改变的。在利用传统的方法解决这种类型的设计问题时，Eye-Treck HMD的配置使用了自由形状的，非球面的棱镜(aspheric prism)来提供一具有紧凑尺寸的光路和最小的像差和图像畸变。已知非球面的设计方法具有特殊的价值，因为它们可允许光学设计者利用比较传统的球形结构的光学系统多得多的变量来工作。但是非球形设计可能出现一些与成本、设计复杂性，以及设计方法的总体灵活性有关的重要缺点。例如，非球面设计的方法的改进或按比例缩放，在不作相当的重新设计的条件下是不可能实现的。基于非球面部件的HMD的一些例子被公开在下述专利中：U.S.Patent No.6,028,709(Takahashi)，它公开了一种使用具有转动非对称表面的棱镜的HMD；U.S.Patent No.6,097,354(Takahashi等人)；U.S.Patent No.5,436,765(Togino)，它公开了非球反射镜的利用；U.S.Patent No.5,959,780(Togino等人)；以及U.S.PatentNo.5,596,433(Konuma)，它公开了使用具有非球形表面的分束器来作HMD部件。
另一方面，球面光器件又给HMD设计者提出了其它的问题。最值得注意的是，呈现给观察者的图像在传统上是提供在一平表面上。球面光学就可能要求相当的设计来对图像的像差和畸变进行补偿，这种像差和畸变是由于想利用基本上是球形的透镜来投射一平的图像所引起的。这种困难可在，例如，上面提及的专利U.S.Patent No.5,903,395(Rallison等人)所公开的设计中看到，它公开了传统的透镜设计方法来从一平表面投射图像。但是，同时可以理解，对利用球面光器件来说却存在着一些优点，特别是在实用性、工艺性(manufacturability)、和成本方面更为明显。另外一些优于非球形的方法的地方包括在使用球面光学时的可缩放性和灵活性。
利用球面光学的HMD设计的一个例子是公开于U.S.PatentNo.4,854,688(Hayford et al.)的飞行员头盔，它是用来沿如附着在飞行员的头盔装置上的一非线性路径传送一非立体的、二维图像。在Hayford等人的专利公开的光学配置中，一球透镜被用作折叠部件和透镜来提供一相当宽的视野，球透镜引导一在光学上无限远处的准直的输出图像以便飞行员观察。这能使飞行员观看从一小的CRT屏上投射的信息而不需改变凝视方向或重新聚焦。尽管该球透镜对公开于U.S.Patent No.4,854,688的装置中的固有的宽视野来说可提供某些优点，但对于这种设计来说却存在着许多缺点。在U.S.Patent No.4,854,688中所公开的装置的倾斜和偏心的光路就固有地引入了图像的像差，需要作大量的校正。为了对由反射或部分反射准直器产生的离轴成像进行补偿，就需要一复杂而昂贵的，相对于光路来说是倾斜而偏心的中继透镜组件。在Hayford等人的专利中公开的这种中继光学器件，对于这种小型配置所需要的不仅是只增加成本，而且还增大了头戴式观察装置的体积和重量。
在提供一具有宽视野的HMD方案时，形成一大光瞳来成像就具有特别的一些优点。但是，用传统的透镜设计方法，由于透镜设计必须想法对该光瞳和对该宽视野进行校正，因而形成一大的光瞳就会内在地引起一些其它的问题。透镜系统不应仅能校正轴上的像差(on-axisaberration)(主要是球面像差和轴向色差)，而且还应能校正离轴像差，包括彗差、像散、场曲率(field curvature)和畸变、以及横向色差(chromatic lateral aberration)。因而，在提供宽视野的大光瞳时传统透镜的设计方法并不产生用来校正像差的简单方法。
在利用传统光学系统实现宽视野时的另一众所周知的问题是由于余弦四次方定律而出现的照明急剧下降，其中，图像亮度的下降率与离轴场角的余弦的四次方成比例。这种效应可对希望专注体验的逼真形象造成损害。
对于利用简单的光学配置来提供一些性能很好而且内在要求部件最少的设计方法来说，单中心的光学设计具有一些优点。理论上讲，单中心配置提供最佳的视野性能，具有最小的畸变和图像像差。但是，由于给定了HMD设计的一些约束条件后，该光路的单中心设计是困难的，因而未被成功地使用在传统的HMD设计的实际中。代之，现行的HMD方法的特征是：如U.S.Patent No.4,854,688所述的复杂的光路,有限的视野,高成本，总的低图像分辨率。
一些HMD在HMD自身范围内，如在U.S.Patent No.5,506,705(Yamamoto等)所公开的护目镜内，显示一投射在屏表面的实像。但是，这种类型的设计常常具有一些内在的缺点，这些缺点涉及潜在的眼疲劳，目视线索(visual cues)的适当关联，如聚散度(vergence)和适应性调节(accommodation)，特别是由于任何类型的显示表面必须很靠近观察者的眼睛更能产生这些缺点。一般认为，在不是给观察者提供实像而是提供虚像的替代方法中可存在一些优点。虚像的目视线索能使观察者聚焦更自然，并提供一些内在的更逼真的观察条件。
于是，可以看出，需要一种改进的，小型的头戴式显示器，利用基本上单中心的光学设计，以大光瞳，宽视野和清晰的分辨率提供一虚像。
发明概述
本发明的目的在于提供一小型的，重量轻的，而且价格能承受的，具有宽视野和清晰分辨率的头戴式显示器。鉴于这个目的，本发明提供一种用于观察合成虚像的头戴式显示装置，所述合成虚像包括一由观察者在左观察孔看到的由左图像形成的左虚像和一由观察者在右观察孔看到的由右图像形成的右虚像，该头戴式显示装置包括：
(a)图像发生器，用来提供，作为场景内容数据的，左图像及右图像；
(b)左图象显示器，用来从图像发生器接收左图像的场景内容数据和用来将第一左中间图像显示在左弯曲表面上；
(c)左球透镜，离开该左弯曲表面一距离，该球透镜的曲率中心基本与该左弯曲表面的曲率中心重合，该左球透镜具有一左球透镜光瞳，该左球透镜形成该第一左中间图像的第二个左中间图像；
(d)右图象显示器，用来从该图像发生器接收该右图像的场景内容数据和用来将右中间图像显示在右弯曲表面上；
(e)右球透镜，离开该右弯曲表面一距离，该球透镜的曲率中心基本与该右弯曲表面的曲率中心重合，该右球透镜具有一右球透镜光瞳，该右球透镜形成该第一右中间图像的第二个右中间图像；
(f)分束器装置，安置来做下列事情：
(1)将由左球透镜形成的第二左中间图像反射到一左曲面镜，该左曲面镜具有一曲率中心与该左球透镜的曲率中心在光学上是重合的，该左曲面镜安置来通过该分束装置在该左观察光瞳处形成该球透镜光瞳的一实像和第二左中间图像的左虚像；
(2)将由该右球透镜形成的第二右中间图像反射到一右曲面镜，该右曲面镜的曲率中心与该右球透镜在光学上是重合的，右曲面镜安置来通过分束装置在该右观察光瞳处形成球透镜光瞳的一实像和该第二右中间图像的右虚像；
本发明的特点是利用一球透镜组件来投射每个眼睛所观察的图像。
本发明的还有一特点是产生一具有球面曲率的中间图像，这球面曲率适合用一球透镜将该中间图像投射到具有球面曲率的镜子上。
本发明的另一特点是利用一光学部件来给中间图像提供球面曲率以便用球透镜投射。
本发明的一优点是它给观察者提供一虚像。该观察者享受宽视野，并在投射的图像中具有最小畸变和最小的像差。
本发明的另一优点是它为HMD应用提供了一大光瞳尺寸的光瞳成像。
本发明的另一优点是它使用一单中心的光学配置，内在地将图像的像差和畸变减到最小。该优选实施例的设计甚至允许光学部件基本同心配置，并对于该观察者的每个眼睛都有一独立的光路。
本发明的另一优点是它为HMD提供的视野比惯常以合理价格获得的宽。此外，本发明的配置因为使用了球透镜而不会发生由于余弦四次方定律所引起的亮度下降，这种下降对于传统的宽视野成像光学系统来说是通常的。
本发明的这些和其它的目的、特点、和优点，对于本领域的技术人员来说，在结合附图阅读了下面的详细描述时都将成为显而易见的，其中画出和描述的是本发明的说明性的实施例。
附图简介
尽管该说明是以特别指出本发明的主题并对该主题提出明白地权利要求的权利要求书为结束，但相信，在结合附图后本发明将会从下面的描述更好地被理解。其中：
图1是一表示本发明的头戴式显示装置的光学部件配置的透视图；
图2a和2b是表示在两个不同的实施例中，每个眼睛的主要光路部件和数据路径部件的相互作用的侧视图；
图3是用在该装置光路中的球透镜组件的断面侧视图；
图4是一表示用于本发明的头戴式显示装置的光学部件的另一配置的透视图；
图5是表示图5所示的该另一配置的光学部件关系的侧视图；
图6是表示图5所示的该另一配置的光学部件关系的顶视图；
图7是表示该光路中显示部件的另一配置的侧视图，其中，阴极射线管被用来产生显示的中间图像；
图8是表示该光路中显示部件的另一配置的侧视图，其中，纤维光学面板被用来产生显示的中间图像；
图9是表示该光路中显示部件的另一配置的侧视图，该配置中使用了锥形纤维光学面板。
发明详述
本描述特别针对构成本发明装置的一部分的元件，或者更直接与本发明装置协同运作的元件。应该明白，没有具体画出或描述的元件可以取本领域的技术人员所熟知的各种形式。
参考图1，图中有一本发明的头戴式光学装置10的透视图。戴着头戴式光学装置的观察者的左眼12l和右眼12r的相对位置被示于图1中。如图1所示，在左眼12l和右眼12r的光路(optics path)中都使用一些相同的部件。为了给右眼12r提供图像，右图像显示器18r显示由右球透镜组件30r投射向右分束器16r的图像，这右图像显示器包括一与右纤维光学面板(fiber optic faceplate)56r耦合的右平面图像形成发射表面84r。指向右曲面镜(curved mirror)24r的该图像然后就被显示到右眼12r中。同样，为了给左眼12l提供图像，左图像显示器18l显示由左球透镜组件30l投射向左分束器16l的图像，这左图像显示器包括一与左纤维光学面板56l耦合的左平面图像形成发射表面84l。指向左曲面镜24l的该图像然后就被显示到左眼12l中。
一般来说，下面的描述对于头戴式光学装置10的左和右两光路都是同样适用的。因此，除了在需要明确表示的地方外，附加的左“l”和右“r”符号都从本描述中省去。注意到下述事实是有益的：尽管该优选实施例使用分离的左和右分束器16l和16r，但却可用一单一部件来充当左、右两光路的分束器16。
记住这种双配置(dual arrangement)，图2a和图2b画出头戴式光学装置10的部件的两种另外的配置。图2a和图2b表示不同的实施例，在这两实施例中分束器16和曲面镜24配合形成光瞳14。参考图2a所示的优选实施例，图像发生器70，如个人计算机或其它用于电子图像处理的数字控制装置，从一像源(未画出)为左、右像路产生场景内容。对于每个像路，图像发生器70都给图像显示器18提供图像数据。图中画出了一条像路的部件；如上所述，用于左右两眼的图像的部件都是相同的。如图1，2a和2b所示，每个图像显示器18最好具有一曲面显示表面(curved display surface)68，该产生的图像就显示在该表面上，作为一中间图像，以便于球透镜组件30投射。在所示实施例中，球透镜30可做成具有一镜面表面的半球，在光学上该半球起着一完整的球的作用。如随后的描述那样，在弯曲表面上形成这显示的中间图像比在平表面上的传统图像显示来说具有一些优点。球透镜组件30充当折叠式投射光学系统，将该显示的中间图像从曲面的显示表面68投射到分束器16.分束器16反射形成一投射的中间图像76的投射光，这投射的中间图像76为一实像，这实像的曲率中心在光学上与球透镜组件30的曲率中心重合。重要的是，投射的中间图像76被形成在光学上处在或靠近该曲面镜面24的聚焦面的位置上。因此，曲面镜24对准投射的中间图像76以形成一虚像，呈现在图2a和图2b中就好像处在一表观的虚像位置34一样。那时对于观察者来说似乎观看到的场景内容是在曲面镜24后面一距离处，该图像在视觉上似乎是处在曲面镜24与无穷远之间。该观察者的眼睛12基本上是在观察光瞳14的位置上。要适应宽视野和通常的眼睛运动，光瞳14越大越有利就可以被理解了。
参看图2b，另一实施例使用分束器16来透射来自球透镜组件30的投射光和反射来自曲面镜24的光。该图2a的配置具有竖直放置的曲面镜24，对于传统的HMD结构来说，它具有一些胜过图2b所示配置的优点；但是，对于透视应用(see-through application)来说，图2b所示装置却可能具有一些有利之处。
单中心的光学结构的一些优点已在上面的背景材料中指出过了。参看图2a和图2b的侧视图，可以看见，右、左两光路基本上在光学上都是同心的。如图2a和图2b所示，分束器16和曲面镜24在观察光瞳14处协同形成球透镜30的球透镜光瞳62的一实像。(随后的描述将给出关于如何形成球透镜光瞳62的补充细节。)这种光学部件的同心配置提供了一用来将最初形成在曲面显示表面68上的实中间图像显示成一虚像的理想配置。对于将图像的像差和失真减小到最小和要求将光学部件数减到最小来说，光学部件这样的同心配置的好处是可以理解的，因为这样的配置提供了一些内在的有利条件。
在保持本发明的该优选实施例的同心配置时，曲面镜24是球面弯曲的。但是，改变这种弯曲特性可能会有一些优点，提供非球形的曲面镜24来适应对该光路的一些其它要求。曲面镜24另一方面也可体现为一Fresnel镜，具有仿效实际的曲面反射表面需要的有效光学曲率。
图像发生器70将电子图像数据提供给图像显示器18。该图像数据可以从很多源中的任一个产生，例如，包括计算机产生的图像，胶片或数码相机的图像，或从摄象机产生的图像。在优选实施例中该左眼和右眼的图像是立体关系。回到图1，这意味着在左和右的表观虚像位置34l和34r处所形成的虚像构成一合成的虚像。但是，必须指出，头戴式显示装置10的配置也允许显示非立体图像。
球透镜组件30的作用
球透镜组件30l/30r起着与它相关的左或右光学系统的投射透镜的作用。参看图3，图中表示出对每个球透镜组件30所提供的同心配置。中央的球面透镜46放置在凸凹透镜42和44之间，在这里，凸凹透镜42和44具有打算将轴上的球面像差和色差减到最小的折射系数和其它的特性，这在光学设计领域是众所周知的。光阑(stop)48将该入射光瞳限制在球透镜组件30内。光阑48不需要是实体的，而可另外利用光学效应，如全内反射实现。从光路的观点来看，光阑48可用来确定球透镜组件30的球透镜光瞳62(图2a)。如图2a和2b所示，球透镜30可以是一半球，用作该光路中的折叠元件。
在一优选实施例中，凸凹透镜42和44被选择来减小投射到曲面镜24上的图像的像差和优化图像品质。应该指出，球透镜组件30可包括许多种围绕中央球面透镜46的支撑透镜(support lens)的配置方式。无论使用多少，这些支撑透镜的表面都应与中央球面透镜46共有一公共的曲率中心C。此外对于球透镜组件30的透镜部件所用的折射材料可以在本发明的范围内改变。例如，除了一些标准的玻璃透镜外，中央球面透镜46可由包括塑料、油、或其它的液体物质，或者是按应用要求所选择的其它折射材料构成。在球透镜组件30中的凸凹透镜42和44，和任何其它的附加支撑透镜都可由玻璃，塑料，密封液体，或其它适合的折射材料构成，所有的都包括在本发明的范围内。在其最简单的实施例中，球透镜组件30可包括一单个的球面透镜46，而没有支撑的折射部件。
又参看图3，图中画出了球透镜组件30是怎样运作来提供宽视野成像而同时又使像差和失真最小。从曲面显示表面68上的任何点源50来看，球透镜组件30都可被认为在光学上是“同轴”的，因而从每个点源50来的光都被投射到投射的中间图像76内的相应点上。在曲面显示表面68的曲率中心与球透镜组件30的曲率中心C相同时，所得到的投射的中间图像76就将内在地具有最小的像差，这是因为该中间图像也与球透镜组件30共有一曲率中心的缘故所致。
再参看图3，还可理解，球透镜组件成像的另一好处是与整个视野上的图像亮度有关的。因为在曲面显示表面68上的所有物点在光学上是同轴的，所以用于照明急剧下降的余弦四次方定律(Cosine FourthLaw)并不适用。实际的亮度水平可因此被维持，甚至在该像场的“边缘”。另外，由于成像光学的原因，在该像场的极边缘处也没有固有的渐晕现象(vignetting)存在。此外，与传统的宽场光学系统不同，对于在弯曲表面68上的所有物点来说球透镜光瞳62(如图2a和2b所示)都仍然是圆形的，而在传统宽场光学系统中对于离轴很远的点来说有效光瞳的形状将变成椭圆的。
曲面显示表面68：优选的和另外的办法
为了能单中心的配置光学部件，图像显示器18在曲面显示表面68上有利地提供该显示的中间图像。在一优选实施例中，曲面显示表面68被利用一包括平面图像形成发射表面84和纤维光学面板56的组合来构成，如图8所示。平面图像形成发射表面84可以是一有机发光二极管(OLED)显示器之类的装置，该装置可从纽约Hopewell Junctiond的eMagin Corporation公司获得。同样，也可使用聚合物发光二极管(PLED)技术。对于这种应用，OLED或PLED阵列显示技术都能提供可在一平表面86上获得的图像。为了给该图像提供曲率，纤维光学面板56，利用一如由麻省(MA)Charlton的Incom，Inc制造的荧光屏之类的装置，将图像从平表面86传送到一输出的凹表面60上。输出凹表面60面对球透镜30，而且与球透镜组件30的中心C同心。另外，纤维光学面板56可用某种方式来处理，如用涂层或打毛的方法，以便为曲面显示表面68提供一漫射表面。
参看图9，可利用一锥形的纤维光学面板56t来形成一图像，特别是在希望将来自平表面86的图像放大或缩小的地方。锥形的纤维光学面板，如从麻省Southbridge的Schott Corporation公司获得的那些，都可装备曲面显示表面68，因而从每条单个光纤58导向球透镜组件30的光基本都与球透镜组件30的表面垂直。这样的配置有助于将离轴的场点上的渐晕现象减到最小或消除。
在一另外的实施例中，对OLED，PLED或其它的用别的方式用作发射表面84的部件直接提供曲率将是有利的。这样的一种配置将不需要对独立的部件，如纤维光学面板56，提供曲率。另外，OLED装置可直接制备在纤维光学面板56上，以便形成一具有适当的球面曲率(spherical curvature)的发射装置。
但是，困难或昂贵可能在于给图像显示器18本身提供球面曲率。在这种情况，为了提供曲面显示表面68所需要的曲率，还有一些其它的替代办法来改进该图像显示器18的输出，以便呈现给球透镜组件30的该显示的中间图像基本上具有一球面曲率。参看图4图中画出了另一实施例，其中图像显示器18具有圆柱的曲面。对于图4所示的实施例，曲面显示表面68只沿一条轴具有希望的曲率。为了补偿和提供对于该显示的中间图像所希望的曲率，一超环面透镜(toroidal lens)92被安置在图像显示器18和球透镜组件30之间。这提供了必要的曲率，以便投射的中间图像76呈球面形。
参看图5，该图中画出了图4所示光学装置的一侧面观看的图像。参看图6，该图中画出了图4所示光学装置的一顶面观看的图像。
作为图像形成发射表面84的另一类型，一微型的阴极射线管(CRT)90可用作图像显示器18，如图7所示。这将要求从标准的现行制品来改变曲率，以便为曲面显示表面68提供适当的形状。另外，纤维光学面板56可用于与平阴极射线管90组合。
本发明利用最少的部件提供了一重量轻、高性能、而且价格低的头戴式显示装置。本发明的装置能提供在水平方向具有近似90°、垂直方向50°的宽视野和大约12mm的光瞳尺寸。此外，本发明装置的同心设计允许该设计的直截了当的可缩放性，因而该装置可用在很多可能的面和头戴式的配置中。
与传统的HMD结构不同，对于传统结构来说透镜系统必须在光瞳成像和获得宽视野之间进行折衷，本发明的光学上同心的装置利用球透镜组件30对每一场点都有效地提供一相同的光路。因此，本发明提供的装置对单色和多色像差所要求的校正将最少。
其它的替代实施例
本发明容许很多其它的替代实施例。例如，本发明可使用在许多头戴式或面戴式的装置，包括护目镜，头盔等等中。例如，利用本发明的光学构形的HMD还可通过添加声传感器来增强。
有许多可选择的器件可用作图像显示器18的一部分。一个备选器件可以是一数字微型反光镜器件(Digital micromirror Device)(DMD)，它可从德州Dallas的Texas Instruments，Inc.获得。
例如，可通过如在专利U.S.Patent No.5,991,085(Rallison等人)中公开的那样，提供头部跟踪来对基本的成像提供改善。利用如机械，磁性、超声、或光学传感器之类的跟踪技术都可使用来检测头部的运动。另外的一些传感器，如重力、惯性传感器可使用于模拟装置之类的应用中，在这类应用中加速度、间距、摇摆、滚动的检测将是有用的。利用来自跟踪和有关的检测技术的数据，图像发生器70可使显示的图像适应左和右的观察光瞳14l/14r以便调节图像场景内容以便适合于该应用。
在利用本发明的设计时还可利用偏振特性来改善HMD的反差和光效率(light efficiency)。回到图2所示的侧视图，例如，偏振分束器可被用于放置在曲面镜24前面的带有四分之一波长延迟器的分束器16。对于入射在偏振分束器上的光来说，偏振方向总是这样选择，以便使这光被该分束器全反射。在两次通过该四分之一波长延迟器后，该光的偏振将会被旋转90°，因而能使该光完全通过该分束器传送到观察者12。

Claims (44)

1.一种头戴式显示装置，用于观察合成虚像，所述合成虚像包括一由观察者在左观察光瞳看到的由左图像形成的左虚像，和一由观察者在右观察光瞳看到的由右图像形成的右虚像，该头戴式显示装置包括：
(a)图像发生器，用来提供作为场景内容数据的所述的左图像及所述的右图像；
(b)左图象显示器，用来从所述图像发生器接收所述的左图像的场景内容数据和用来将第一中间图像显示在左弯曲表面上；
(c)左球透镜，离开所述左弯曲表面一距离，所述球透镜的曲率中心基本与所述的左弯曲表面的曲率中心重合，所述左球透镜具有一左球透镜光瞳，所述左球透镜形成所述的第一左中间图像的第二个左中间图像；
(d)右图象显示器，用来从所述图像发生器接收所述的右图像的场景内容数据和用来将第一中间图像显示在右弯曲表面上；
(e)右球透镜，离开所述右弯曲表面一距离，所述球透镜的曲率中心基本与所述的右弯曲表面的曲率中心重合，所述右球透镜具有一右球透镜光瞳，所述右球透镜形成所述的第一右中间图像的第二个右中间图像；
(f)分束器装置，安置来做下列事情：
(1)将由所述左球透镜形成的第二左中间图像引导到一左曲面镜，该左曲面镜的具有一曲率中心与所述左球透镜的曲率中心在光学上重合，所述左曲面镜安置来通过所述分束装置在所述左观察光瞳处形成所述球透镜光瞳的一实像和所述第二左中间图像的一左虚像；
(2)将由所述右球透镜形成的第二右中间图像引导到一右曲面镜，所述右曲面镜具有一曲率中心与所述右球透镜在光学上是重合的，所述右曲面镜安置来通过所述分束装置在所述右观察光瞳处形成所述球透镜光瞳的一实像和所述第二右中间图像的一右虚像；
2.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的合成虚像是一立体图像。
3.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的左图像显示器包括液晶器件。
4.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的分束器包括一左分束器和一右分束器。
5.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的左图像显示器包括发光二极管。
6.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的左图像显示器包括阴极射线管。
7.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的左图像显示器包括有机发光二极管。
8.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的左图像显示器包括聚合物发光二极管。
9.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的左图像显示器包括数字微型反光镜器件。
10.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的右图像显示器包括发光二极管。
11.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的右图像显示器包括阴极射线管。
12.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的右图像显示器包括有机发光二极管。
13.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的右图像显示器包括聚合物发光二极管。
14.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的右图像显示器包括数字微型反光镜器件。
15.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的左弯曲表面是球面弯曲的。
16.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的右弯曲表面是球面弯曲的。
17.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的左弯曲表面是圆柱弯曲的。
18.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的右弯曲表面是圆柱弯曲的。
19.权利要求17的头戴式显示装置还包括一放置在所述左弯曲表面和左球透镜之间的一矫正透镜。
20.权利要求18的头戴式显示装置还包括一放置在所述右弯曲表面和右球透镜之间的一矫正透镜。
21.权利要求19的头戴式显示装置，其中所述的矫正透镜基本上是超环面的。
22.权利要求20的头戴式显示装置，其中所述的矫正透镜基本上是超环面的。
23.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的左图像显示器包括一纤维光学面板。
24.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的右图像显示器包括一纤维光学面板。
25.权利要求1的头戴式显示装置还包括至少一个声音传感器。
26.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的分束器包括偏振分束器。
27.权利要求1的头戴式显示装置还包括一放置在所述左曲面镜前面的四分之一波片。
28.权利要求1的头戴式显示装置还包括一放置在所述右曲面镜前面的四分之一波片。
29.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的左曲面镜包括Fresnel镜。
30.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的右曲面镜包括Fresnel镜。
31.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的左球透镜包括一中央球面透镜。
32.权利要求20的头戴式显示装置，其中所述的左球透镜还包括至少一个凸凹透镜，其中所述凸凹透镜的两表面与所述中央球面透镜共有一公共的曲率中心。
33.权利要求20的头戴式显示装置，其中所述的中央球透镜包括折射液体。
34.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的右球透镜包括一中央球面透镜。
35.权利要求34的头戴式显示装置，其中所述的右球透镜还包括至少一个凸凹透镜，其中所述凸凹透镜的两表面与所述中央球面透镜共有一公共的曲率中心。
36.权利要求34的头戴式显示装置，其中所述的中央球透镜包括折射液体。
37.权利要求1的头戴式显示装置还包括一头部跟踪器。
38.权利要求23的头戴式显示装置，其中所述的纤维光学面板经过处理，以便使所述左弯曲表面形成为一漫射表面。
39.权利要求24的头戴式显示装置，其中所述的纤维光学面板经过处理，以便使所述右弯曲表面形成为一漫射表面。
40.权利要求23的头戴式显示装置，其中所述的纤维光学面板是一锥形纤维光学面板。
41.权利要求24的头戴式显示装置，其中所述的纤维光学面板是一锥形纤维光学面板。
42.权利要求7的头戴式显示装置，其中所述的有机发光二极管是制作在纤维光学面板上的。
43.权利要求12的头戴式显示装置，其中所述的有机发光二极管是制作在纤维光学面板上的。
44.权利要求1的头戴式显示装置，其中所述的左球透镜和右球透镜都是构成折叠元件的半球。
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