TWI553344B - 使用一或多個菲涅耳透鏡（ｆｒｅｓｎｅｌ ｌｅｎｓｅｓ）之頭戴式顯示裝置 - Google Patents

Description

使用一或多個菲涅耳透鏡(FRESNEL LENSES)之頭戴式顯示裝置

本發明係關於使用一或多個菲涅耳透鏡(Fresnel lens)之頭戴式顯示裝置。在某些實施例中，該裝置亦使用一或多個反射光學表面，例如，一或多個自由空間、超寬角度、反射光學表面(下文縮寫為「FS/UWA/RO表面」)。在某些實施例中，總體光學系統為非光瞳形成系統，亦即，整個系統之控制孔徑(孔徑光闌)為使用者之眼睛之光瞳。

使用一或多個菲涅耳透鏡及(當使用時)一或多個反射表面(例如，一或多個FS/UWA/RO表面)以顯示來自固持成緊密接近使用者之眼睛之發光顯示系統的影像。

諸如戴頭盔式顯示器或戴眼鏡式顯示器之頭戴式顯示器(本文中簡寫為「HMD」)為佩戴在個人之頭部上的顯示器件，其具有位於使用者之一個眼睛或(更通常地)兩個眼睛附近之一或多個小的顯示器件。

一些HMD僅顯示模擬(電腦產生之)影像(如與真實世界影像相反)，且因此常被稱作「虛擬實境」或浸沒式HMD。其他HMD在非模擬之真實世界影像上疊置(組合)模擬影像。非模擬影像與模擬影像之組合允許HMD使用者經由(例如)護目鏡或接目鏡檢視世界，與待執行之任務相關的額外資料在護目鏡或接目鏡上疊置至使用者之前向視野(FOV)上。此疊置有時被稱作「擴增實境」或「混合實境」。

可使用部分反射/部分透射光學表面(「光束分光器」)來達成將非模擬之真實世界視圖與模擬之影像組合，在該情況下，表面之反射率用以將模擬影像作為虛擬影像(在光學意義上)顯示，且表面之透射率用以允許使用者直接檢視真實世界(被稱作「光學透視(see-through)系統」)。亦可藉由接受來自攝影機之真實世界視圖之視訊且使用組合器將其與模擬影像以電子方式混合來以電子方式進行將真實世界視圖與模擬影像組合(被稱作「視訊透視系統」)。接著可借助於反射光學表面(在此情況下，其不需要具有透射屬性)將組合影像作為虛擬影像(在光學意義上)呈現給使用者。

自前述內容可看出，反射光學表面可用於HMD中，HMD向使用者提供：(i)模擬影像與非模擬真實世界影像之組合、(ii)模擬影像與真實世界視訊影像之組合，或(iii)純模擬影像。(最後情況常被稱作「浸沒式」系統。)在此等情況中之每一者下，反射光學表面產生由使用者檢視之虛擬影像(在光學意義上)。歷史上，此等反射光學表面已為出射光瞳已實質上不僅限制使用者可得之動態視野而且限制靜態視野之光學系統的部分。具體言之，為了看到由光學系統產生之影像，使用者需要將其眼睛與光學系統之出射光瞳對準且將其保持為如此對準，且甚至接著，使用者可見之影像將不覆蓋使用者的整個完全靜態之視野，亦即，在已使用反射光學表面之HMD中使用的先前光學系統已為光瞳形成系統之部分，且因此已受到出射光瞳限制。

系統已受如此限制之原因為人類視野顯著大之基本事實。因此，人類眼睛之靜態視野(包括眼睛之視窩視覺及周邊視覺兩者)在水平方向上為大約~150°且在垂直方向上為大約~130°。(出於本發明之目的，150度將用作標稱人類眼睛之直前方靜態視野。)具有能夠容納此大的靜態視野之出射光瞳的良好校正之光學系統稀少，且當其存在時，其昂貴且體積大。

此外，由於眼睛可圍繞其旋轉中心旋轉，亦即，人類大腦可藉由改變眼睛之凝視方向在不同的方向上瞄準人類眼睛之視窩+周邊視野，因此人類眼睛之操作視野(動態視野)甚至更大。對於標稱眼睛，垂直運動範圍為大約向上~40°及向下~60°，且水平運動範圍為大約自直前方±~50°。對於由先前在HMD中使用的類型之光學系統產生的大小之出射光瞳，眼睛之甚至小的旋轉亦將實質上減少在眼睛之靜態視野與出射光瞳之間存在的重疊部分，且較大旋轉將使影像完全消失。雖然理論上有可能，但將與使用者之眼睛同步移動之出射光瞳不切實際且將極為昂貴。

鑒於人類眼睛之此等屬性，就提供允許使用者以與其將檢視自然世界之方式相同的方式檢視由影像顯示系統產生之影像的光學系統而言，存在相關的三個視野。三個視野中之最小者為由使用者旋轉其眼睛且因此使其視窩在外部世界上掃描之能力界定的視野。最大旋轉為自直前方大約±50°，因此此視野(視窩動態視野)為大約100°。三個視野中之中間者為直前方靜態視野，且包括使用者之視窩視覺及周邊視覺兩者。如上文所論述，此視野(視窩+周邊靜態視野)為大約150°。三個視野中之最大者為由使用者旋轉其眼睛且因此使其視窩加其周邊視覺在外部世界上掃描之能力界定的視野。基於大約±50°之最大旋轉及大約150°之視窩+周邊靜態視野，此最大視野(視窩+周邊動態視野)為大約200°。視野自至少100度至至少150度且接著至至少200度之此增加尺度為使用者提供益處(就其以直觀且自然方式檢視由影像顯示系統產生之影像之能力而言)。

為了人類眼睛易於聚焦於在眼睛之10英吋內的顯示器上，需要將一種形式之準直應用於自顯示器發出的光線。準直用以使光線顯得如同其源自比眼睛與顯示器之間的實際距離大的距離。較大視距又允許眼睛易於聚焦於顯示器之影像上。一些頭戴式顯示器使用多個鏡或稜鏡來試圖使來自顯示器之光準直。多個鏡或稜鏡之使用添加了體積及重量，從而使此等頭戴式顯示器相比所要顯示器更複雜且更重。

因此，存在對與聚焦能力以及與至少人類眼睛之視窩動態視野相容的頭戴式顯示器之需求。本發明係有關此等需求，且提供在寬視野上產生準直(或實質上準直)之光的頭戴式顯示器。

定義

在本發明之其餘部分中及在申請專利範圍中，片語「虛擬影像」以其光學意義使用，亦即，虛擬影像為經感知為來自特定處之影像，而事實上，正被感知之光並非源於彼處。

貫穿本發明，以下片語/術語應具有以下意義/範圍：

(1)　片語「反射光學表面」(本文中亦被稱作「反射表面」)應包括僅具反射性之表面以及具反射性及透射性兩者之表面。在任一情況下，反射率可為僅部分的，亦即，入射光之部分可透射穿過該表面。同樣，當表面具反射性及透射性兩者時，反射率及/或透射率可為部分的。如以下所論述，可將單一反射光學表面用於兩個眼睛，或每一眼睛可具有其各自的個別反射光學表面。其他變化包括將多個反射光學表面用於兩個眼睛或個別地用於每一眼睛。亦可使用混合及匹配組合，例如，可將單一反射光學表面用於一個眼睛，且將多個反射光學表面用於另一眼睛。作為另一替代例，可提供一個或多個反射光學表面用於使用者眼睛中之僅一者。以下陳述之申請專利範圍意欲涵蓋本文中揭示之反射光學表面之此等及其他應用。詳言之，需要反射光學表面之每一技術方案意欲涵蓋包括指定類型之一或多個反射光學表面的頭戴式顯示裝置。

(2)　片語「具有至少一發光表面之影像顯示系統」一般用以包括具有一表面之任何顯示系統，該表面不管藉由光穿過表面之透射、在表面處之光之產生(例如，藉由LED陣列)、來自另一光源之光之反射離開表面或其類似者而發射光。影像顯示系統可使用一個或多個影像顯示器件，例如，一個或多個LED及/或LCD陣列。如同反射光學表面，給定頭戴式顯示裝置可併有用於使用者眼睛中之一或兩者的一或多個影像顯示系統。再次，需要影像顯示系統的以下陳述之申請專利範圍中之每一者意欲涵蓋包括指定類型之一或多個影像顯示系統的頭戴式顯示裝置。

(3)片語「雙筒檢視器」意謂針對每一眼睛包括至少一單獨光學元件(例如，一顯示器件及/或一反射光學表面)之裝置。

(4)片語「視野」及其縮寫FOV指代在影像(眼睛)空間中的「視在」視野，如與在物(亦即，顯示器)空間中的「真實」視野相反。

根據第一態樣，揭示一種頭戴式顯示裝置(100)，其包括：(I)一框架(107)，其經調適以安裝於使用者之頭部(105)上；(II)一影像顯示系統(110)，其由該框架(107)支撐(例如，該框架在於HMD之使用期間處於使用者之視野外的固定位置處支撐影像系統器件)；(III)一反射光學表面(120)，其由該框架(107)支撐，該反射光學表面(120)相對於三維笛卡爾座標系統之任何座標軸為非旋轉對稱的連續表面(例如，該反射光學表面相對於具有任意原點之三維笛卡爾座標系統之x、y或z軸旋轉為非對稱的自由空間、超寬角度、反射光學表面(120)(並非迴轉面))；及

(IV)一菲涅耳透鏡系統(115)，其由該框架(107)支撐，該菲涅耳透鏡系統(115)位於該影像顯示系統(110)與該反射光學表面(120)之間；其中：

(a)該影像顯示系統(110)包括至少一發光表面(81)；

(b)在使用期間，該反射光學表面(120)及該菲涅耳透鏡系統(115)產生該至少一發光表面(81)之空間上分離之部分的空間上分離之虛擬影像，該等空間上分離之虛擬影像中之至少一者與該等空間上分離之虛擬影像中之至少一其他者在角度上分離至少100度(在一些實施例中，至少150度，且在其他實施例中，至少200度)，該角度分離係自標稱使用者之眼睛(71)之旋轉中心(72)來量測；且

(c)在使用期間，該反射光學表面(120)之至少一點與該反射光學表面(120)之至少一其他點在角度上分離至少100度(在一些實施例中，至少150度，且在其他實施例中，至少200度)，該角度分離係自標稱使用者之眼睛之該旋轉中心來量測。

對於此態樣，在使用期間，該等空間上分離之虛擬影像中之該至少一者可沿著穿過反射光學表面之至少一點的凝視方向來定位，且該等空間上分離之虛擬影像中之至少一其他者沿著穿過反射光學表面之至少一其他點的凝視方向來定位。

根據第二態樣，揭示一種頭戴式顯示裝置(100)，其包括：

(I)一框架(107)，其經調適以安裝於使用者之頭部(105)上；

(II)一影像顯示系統(110)，其由該框架(107)支撐(例如，該框架在於HMD之使用期間處於使用者之視野外的固定位置處支撐影像顯示系統)；

(III)一自由空間、超寬角度、反射光學表面(120)，其由該框架(107)支撐；及

(IV)一菲涅耳透鏡系統(115)，其由該框架(107)支撐，該菲涅耳透鏡系統(115)位於該影像顯示系統(110)與該自由空間、超寬角度、反射光學表面(120)之間；其中：

(a)該影像顯示系統(110)包括至少一發光表面(81)；

(b)在使用期間，該自由空間、超寬角度、反射光學表面(120)及該菲涅耳透鏡系統(115)產生該至少一發光表面(81)之空間上分離之部分的空間上分離之虛擬影像，該等空間上分離之虛擬影像中之至少一者與該等空間上分離之虛擬影像中之至少一其他者在角度上分離至少100度(在一些實施例中，至少150度，且在其他實施例中，至少200度)，該有角度的分離係自標稱使用者之眼睛(71)之旋轉中心(72)來量測。

根據第三態樣，揭示一種頭戴式顯示裝置(100)，其包括：

(I)一框架(107)，其經調適以安裝於使用者之頭部(105)上；

(II)一影像顯示系統(110)，其由該框架(107)支撐；

(III)一反射表面(120)，其由該框架(107)支撐；及

(IV)一菲涅耳透鏡系統(115)，其由該框架(107)支撐，該菲涅耳透鏡系統(115)位於該影像顯示系統(110)與該反射光學表面(120)之間；

其中該菲涅耳透鏡系統(115)包括彎曲的至少一菲涅耳透鏡元件。

根據第四態樣，揭示一種頭戴式顯示裝置(100)，其包括：

(I)一框架(107)，其經調適以安裝於使用者之頭部(105)上；

(II)一影像顯示系統(110)，其由該框架(107)支撐；及

(III)一菲涅耳透鏡系統(115)，其由該框架(107)支撐；其中：在使用期間，該菲涅耳透鏡系統(115)位於該影像顯示系統(110)與標稱使用者之眼睛之間；且該菲涅耳透鏡系統(115)包括至少一菲涅耳透鏡元件(30)，其具有藉由邊緣(32)相互分離之複數個琢面(31)，其中在該頭戴式顯示裝置之使用期間，該等邊緣(32)中之至少一些沿著徑向線鋪置，該徑向線(i)穿過標稱使用者之眼睛(35)之旋轉中心(34)，或(ii)穿過標稱使用者之自然晶體(亦即，該標稱使用者之晶狀體)之中心，或(iii)與標稱使用者之角膜的表面正交。

在本發明之以上態樣之某些實施例中，針對使用者之眼睛中之每一者使用單獨菲涅耳透鏡系統、單獨影像顯示系統及/或單獨反射表面(當使用時)。在其他實施例中，反射光學表面(當使用時)促成由菲涅耳透鏡系統提供之對來自影像顯示系統之光的準直(或實質上準直)，此準直(或實質上準直)係經由表面之局部曲率半徑來達成。

在各種實施例中，HMD裝置可為雙筒非光瞳形成系統，其中眼睛在其通常可獲得之整個角度範圍上關於其滾動中心自由地移動，而不約束於透過外部光瞳察看。先前HMD器件已宣稱其具有或可提供寬視野，但此等器件已包括眼睛必須透過其察看之外部光瞳。雖然存在提供至眼睛之寬泛的資訊量，但若眼睛轉動，則資訊失去。此為光瞳形成系統之基本問題，此問題在使用反射表面(且詳言之，FS/UWA/RO表面)之本發明之實施例中得以避免。

在本發明之態樣之以上概述中使用的參考數字(該等參考數字為代表性的且並非全包括性或詳盡的)僅為了讀者方便起見，且並不意欲且不應被解釋為限制本發明之範疇。更一般而言，應理解，前述一般描述及以下詳細描述皆僅例示性說明本發明，且並不意欲提供用於理解本發明之性質及特性的綜述或架構。

本發明之額外特徵及優勢在以下詳細描述中陳述，且自彼描述部分地對熟習此項技術者而言將為易於顯而易見的，或藉由實踐如由本文中之描述例示性說明之本發明來認識。包括隨附圖式以提供對本發明之進一步理解，且將隨附圖式併入且構成此說明書之一部分。應理解，在此說明書中及在圖式中揭示之本發明之各種特徵可以任何或所有組合使用。

I.引言

如上文所論述，本發明係關於經由使用可為彎曲菲涅耳透鏡系統(見下文)之菲涅耳透鏡系統給使用者提供準直(或實質上準直)之影像的HMD。菲涅耳透鏡系統可為光學系統中之唯一準直源，或在使用彎曲反射光學表面(例如，FS/UWA/RO表面)之實施例中，菲涅耳透鏡系統之準直可與由彎曲反射光學表面促成之準直組合。

以下論述開始於使用FS/UWA/RO表面(第II節)之實施例之描述，且接著繼續進行用於供彼等實施例以及本文中揭示之其他實施例使用的菲涅耳透鏡系統之論述(第III節)。第II節亦包括用於在包括菲涅耳透鏡系統之光學系統中使用的FS/UWA/RO表面之設計處理程序之論述。在第III節後，論述使用並非FS/UWA/RO表面之反射光學表面及彎曲菲涅耳透鏡系統的實施例(第IV節)，其後接著為直接經由彎曲菲涅耳透鏡系統而不使用反射表面來檢視影像顯示系統的實施例(第V節)。最後，呈現可適用於本文中揭示之各種實施例的總體論述(第VI節)。

應理解，在呈現之特定章節中出現的HMD之各種組件之論述並不限於彼章節之實施例，而是一般可適用於本文中揭示之所有實施例。作為一實例，對可在HMD中使用之影像顯示系統之類型的描述可適用於第I節實施例(該描述出現於此處)，以及適用於第IV節及第V節實施例。

II.使用FS/UWA/RO表面之HMD

圖1及圖2分別為經展示由使用者105佩戴之頭戴式顯示裝置100的側視圖及前視圖。頭戴式顯示裝置使用FS/UWA/RO表面120。

在一實施例中，頭戴式顯示裝置100可為(例如)光學透視、擴增實境、雙筒檢視器。因為光學透視、擴增實境、雙筒檢視器通常為HMD之最複雜形式，所以本發明將主要地論述此類型之實施例，應理解，本文中論述之原理可同樣地適用於光學透視、擴增實境、單筒檢視器；視訊透視、擴增實境雙筒及單筒檢視器；及雙筒及單筒「虛擬實境」系統。

如圖1及圖2中所展示，頭戴式顯示裝置100包括框架107，其經調適而由使用者以類似於佩戴眼鏡之方式的方式佩戴且由使用者之鼻子及耳朵支撐。在圖1至圖2之實施例中以及在本文中揭示之其他實施例中，頭戴式顯示裝置可具有多種組態，且可(例如)類似習知眼罩、眼鏡、頭盔及其類似者。在一些實施例中，可使用條帶相對於使用者之眼睛將HMD之框架固持在固定位置中。一般而言，HMD封裝之外表面可呈相對於HMD之顯示器及使用者之眼睛而將光學系統固持於所需定向上之任何形式。

頭戴式顯示裝置100包括至少一影像顯示系統110及(如圖1及圖2中所展示)一自由空間、超寬角度、反射光學表面120(亦即，FS/UWA/RO表面120)，該表面120有必要為彎曲的。表面120可為純反射性或可具有反射屬性及透射屬性兩者，在具有反射屬性及透射屬性兩者之情況下，可將其視為「光束分光器」類型。

表面120在本文中被稱作「自由空間」表面，此係因為其局部空間位置、局部表面曲率及局部表面定向不與特定基板(諸如，x-y平面)有關，而是在表面之設計期間使用在三維空間中適用之基本光學原理(例如，Fermat及Hero最小時間原理)來判定。表面120被稱作「超寬角度」表面，此係因為在使用期間，至少其不限制標稱使用者之眼睛之動態視窩視野。因而，取決於使用FS/UWA/RO表面之菲涅耳透鏡系統之光學屬性，HMD之總體光學系統可為非光瞳形成，亦即，與具有限制使用者之視野的出射光瞳之習知光學系統不同，用於本文中揭示之光學系統之各種實施例的操作性光瞳將為使用者之眼睛的入射光瞳，此與相關聯於外部光學系統之光瞳相反。附隨地，對於此等實施例，提供至使用者之視野將比習知光學系統大得多，在習知光學系統之情況下，使用者之眼睛與外部光學系統之出射光瞳的甚至小的對準偏差可實質上減少使用者可得之資訊內容，且較大對準偏差可造成整個影像消失。

FS/UWA/RO表面120可完全包圍一或兩個眼睛，以及至少一影像顯示系統110。詳言之，表面可圍繞眼睛側且朝向臉部側彎曲以便擴大可得水平視野。在一實施例中，FS/UWA/RO表面120可延伸多達180°度或180°度以上(例如，大於200°)，如最佳地在以下論述之圖5中看出。如在圖2中所說明，HMD可包括由框架及/或鼻脊件210(見以下)分離地支撐的用於使用者之兩個眼睛的兩個單獨FS/UWA/RO表面120R及120L。或者，HMD可使用藉由單一結構伺服兩個眼睛之單一FS/UWA/RO表面，該結構之一些部分由兩個眼睛檢視且該結構之其他部分僅由一個眼睛檢視。

如緊接上文所指出且如在圖2中所說明，頭戴式顯示裝置100可包括鼻脊件210。鼻脊件可為垂直條或壁，其提供兩個FS/UWA/RO表面(使用者之眼睛中的每一者一個表面)之間的分離。鼻脊件210亦可提供使用者之兩個眼睛的視野之間的分離。以此方式，可藉由經由第一影像顯示器件及第一FS/U WA/RO表面向右眼顯示第一影像來向使用者之右眼展示環境中之三維實境的第一表示，而可經由第二影像顯示器件及第二FS/UWA/RO表面向左眼顯示第二影像來向使用者之左眼展示環境中之三維實境的第二表示。單獨的顯示器件/反射表面組合因此服務使用者之每一眼睛，其中每一眼睛看到針對其相對於環境中之三維實境的位置之正確影像。藉由分離使用者之兩個眼睛，脊件210允許將施加至每一眼睛之影像獨立於另一眼睛而最佳化。在一實施例中，鼻脊件之垂直壁可包括兩個反射器(每一側上一個)，以允許使用者在其以鼻動方式向左或向右轉動其眼睛時看到影像。

至少一影像顯示系統110可安裝於FS/UWA/RO表面120內，且可水平安置或相對於水平線成微小角度。或者，該至少一影像顯示系統可定位成剛好在FS/UWA/RO表面外。一般而言，至少一影像顯示系統110(或更明確而言，其至少一發光表面)之傾斜或角度將依據待自表面120反射之多個像素、多個影像及/或多筆顯示資訊之位置而變。

在某些實施例中，頭戴式顯示裝置100經組態以創造內部空腔，其中FS/UWA/RO表面向內至空腔中為反射性的。對於具有透射屬性之FS/UWA/RO表面，來自至少一影像顯示系統之影像或顯示資訊自表面反射至空腔中且至使用者之眼睛，而同時，光亦藉由穿過反射表面自外部世界進入空腔及使用者之眼睛。

頭戴式顯示裝置可包括電子封裝140以控制由至少一影像顯示系統110顯示之影像。在一實施例中，電子封裝140包括提供使來自至少一影像顯示系統110之影像與使用者活動同步所需之定位、定向及位置資訊的加速度計及迴轉儀。可經由耦接至電子封裝140之傳輸纜線150或經由無線媒體將電力及視訊提供至頭戴式顯示裝置100及自頭戴式顯示裝置100提供電力及視訊。

一組攝影機170可位於頭戴式顯示裝置100之相對側上以將輸入提供至電子封裝，從而幫助控制(例如)「擴增實境」場景之電腦產生。該組攝影機170可耦接至電子封裝140以接收電力及控制信號且將視訊輸入提供至電子封裝之軟體。

在頭戴式顯示裝置中使用之影像顯示系統可採取現在已知或隨後開發之許多形式。舉例而言，系統可使用小的高解析度液晶顯示器(LCD)、發光二極體(LED)顯示器及/或有機發光二極體(OLED)顯示器(包括可撓性OLED螢幕)。詳言之，影像顯示系統可使用具有高像素密度的高清晰度、小外觀尺寸之顯示器件，其實例可見於蜂巢式電話工業中。光纖束亦可用於影像顯示系統中。在各種實施例中，可將影像顯示系統視為充當小的螢幕電視。若影像顯示系統產生偏振光(例如，在影像顯示系統使用所有色彩在同一方向上線性偏振之液晶顯示器的情況下)，且若與由顯示器發射之光正交地使FS/UWA/RO表面偏振，則光將不會洩漏出FS/UWA/RO表面。顯示之資訊及光源自身將因此在HMD外不可見。

根據本發明建構之光學系統(具體言之，用於「擴增實境」HMD之光學系統)之例示性實施例的總體操作由圖1之射線追蹤(具體言之，光線180、185及190)說明。在此實施例中，FS/UWA/RO表面120具有反射屬性及透射屬性兩者。在使用表面120之透射屬性情況下，光線190自環境進入穿過該表面，且朝向使用者之眼睛前進。自表面120之同一區域，光線180由表面反射(使用表面之反射屬性)且接合光線190以創造組合光線185，當使用者在點195之方向上察看時，亦即，當使用者之凝視方向在點195之方向上時，該組合光線185進入使用者之眼睛。當如此察看時，使用者之周邊視覺能力允許使用者再次使用表面之透射屬性看到來自環境中之其他點之穿過表面120的光。

III.菲涅耳透鏡系統

根據本發明，由至少一影像顯示系統提供之多個影像及/或多筆顯示資訊在進入使用者之眼睛前經調整以用於近距離檢視。舉例而言，在圖1及圖2之例示性實施例中，調整由透鏡系統115執行，該透鏡系統115包括一或多個菲涅耳透鏡元件且用以修改自顯示表面發出之光束之屈光度特性，因此使得使用者較易於聚焦於顯示器之由總體光學系統產生之虛擬影像。圖12至圖14及圖15至圖18展示使用菲涅耳透鏡元件修改自顯示器發出之光之屈光度特性的其他實施例。除了此功能之外，菲涅耳透鏡元件亦用以放大提供至使用者之影像。在一些實施例中，藉由以堆疊組態配置的多個菲涅耳透鏡元件，可獲得三倍至六倍或更大之間的放大率。

如以下更詳細地論述，在某些實施例中，菲涅耳透鏡系統含有一或多個彎曲菲涅耳透鏡元件，亦即，建構於彎曲(而非扁平)基板上之菲涅耳透鏡。為了易於參考，包括彎曲菲涅耳透鏡元件之菲涅耳透鏡系統將在本文中被稱作「彎曲菲涅耳透鏡系統」，應理解，並非所有在彎曲菲涅耳透鏡系統中使用之菲涅耳透鏡元件需要彎曲。片語「菲涅耳透鏡系統」將用以描述包括至少一菲涅耳透鏡元件(不管是彎曲抑或扁平的)之透鏡系統的一般情況，該至少一菲涅耳透鏡元件執行修改自影像顯示系統發出之光束之屈光度特性以促進對顯示器之影像之近眼檢視的功能。如以下更詳細論述，在使用FS/UWA/RO表面之實施例中，若需要，FS/UWA/RO表面亦可具有促成對形成於影像顯示系統之至少一發光表面上的影像之焦點對準、近眼檢視的光學屬性。

一般而言，本文中揭示之菲涅耳透鏡系統可包含扁平及/或彎曲菲涅耳透鏡之各種組合，該等菲涅耳透鏡經選擇以調整自影像顯示系統發出之光之屈光度以便允許眼睛能夠聚焦於顯示器上及在「擴增實境」HMD之情況下亦聚焦於外部環境中的物件。至少一彎曲菲涅耳透鏡在彎曲菲涅耳透鏡系統中之存在提供用於控制在提供至使用者之影像中之像差的至少一額外參數(亦即，透鏡之曲率)。舉例而言，具有彎曲組態之一或多個菲涅耳透鏡可提供色像差之實質減少。此外，在彎曲基板上製造之菲涅耳表面可提供減少之離軸像差。

更一般而言，可從經驗上或經由分析射線追蹤來選擇菲涅耳透鏡系統及其中包括之一或多個菲涅耳透鏡之光學屬性。射線追蹤可(例如)允許針對特定實施(諸如，軍事訓練、飛行模擬、遊戲及其他商業應用)之裝置參數之最佳化。可用於最佳化之參數包括(例如)顯示器之曲率、顯示器之尺寸、菲涅耳透鏡之曲率、在菲涅耳透鏡系統或光學系統之其他部分包括一或多個非球面之情況下的非球面參數，及菲涅耳透鏡焦度對距(i)顯示幕之前部及(ii)使用者之眼睛的距離。

在一些實施例中，菲涅耳透鏡元件不產生場曲率，因此可使用少數薄光學組件提供寬視野。在其他實施例中，菲涅耳透鏡系統可包括一或多個非球面以輔助對影像像差之校正。非球面可應用於菲涅耳透鏡系統之光學組件中之任一者的任一表面上。標稱地，菲涅耳透鏡元件之第一與第二表面將具有相同的基圓曲率半徑(亦即，其厚度將在其通光孔徑上恆定)。藉由允許菲涅耳透鏡元件中之一或多者在其第一與第二表面上具有不同半徑，額外像差校正或功能性可為可達成的。

在各種實施例中，經由使用菲涅耳透鏡元件(包括非球面菲涅耳透鏡元件)，可將光學系統實現為緊湊且重量輕的系統，其具有大的可檢視視野、與典型人類視覺解析度相稱之影像品質及可以低成本大量製造的總體結構。若需要，菲涅耳透鏡系統可包括一或多個繞射表面(繞射組件)以減少色像差(特定言之，側向色像差)。舉例而言，透鏡元件810、1330及1135可包括一或多個繞射表面。以此方式，可單獨使用菲涅耳透鏡系統或結合FS/UWA/RO表面使用菲涅耳透鏡系統來達成包括平板影像顯示器件之影像顯示器件的校正影像。在某些實施例中，一或多個菲涅耳透鏡將提供系統中之大多數光功率，且將經設計以使單色像差最小化。

可使菲涅耳透鏡元件(在一實施例中，將其組裝成鄰近透鏡之間具有間隙)比典型透鏡薄得多，因此與習知厚透鏡相比，顯著地減小了光學系統之空間及重量。可藉由自塑膠製造所有透鏡來進一步減小重量。然而，亦可使用玻璃。可藉由金剛石機械加工或模製來生產塑膠透鏡。

在某些實施例中，彎曲菲涅耳透鏡元件中之一或多者(或全部)可具有邊緣沿著穿過標稱使用者之眼睛之旋轉中心的徑向線而鋪置的琢面。圖3說明此實施例，其中30為菲涅耳透鏡，31為菲涅耳透鏡之琢面，32為菲涅耳透鏡之琢面的邊緣，且33為穿過標稱使用者之眼睛35之旋轉中心34的徑向線。圖3亦展示標稱使用者之眼睛之內部晶體36(自然晶體36)。或者，彎曲菲涅耳透鏡元件中之一或多者(或全部)可具有邊緣沿著穿過標稱使用者之自然晶體的中心或與標稱使用者之角膜表面正交的徑向線而鋪置的琢面。

如上文所指出，菲涅耳透鏡特別適合於在HMD中使用(由於其重量輕)。然而，歸因於透鏡表面上的離開顯示器之光波之入射角，透鏡可創造影像像差。詳言之，光波可穿過菲涅耳透鏡凹槽之非意欲區段。根據圖3中說明之實施例，可藉由提供具有以標稱使用者之眼睛之旋轉中心為中心的圓頂形狀(具體言之，球面形狀)的菲涅耳透鏡使得在透鏡之表面周圍任何處菲涅耳琢面之邊緣與圓頂之表面正交來減少此等像差。或者，圓頂形狀(球面形狀)可以標稱使用者之自然晶體之中心為中心，或可與標稱使用者之角膜同心。以此等方式，光束穿過與琢面之邊緣平行的透鏡，且避免了歸因於此等不連續性之光學像差，從而改良透鏡之色彩回應(連同其他功能)。應注意，會聚的琢面邊緣將減少檢視影像之光學失真，即使並非所有邊緣精確滿足以上條件中之一者，例如，若並非所有邊緣精確穿過標稱使用者之眼睛之旋轉中心。因此，菲涅耳透鏡可為實質上球面(例如，菲涅耳透鏡可具有非球面)而非具有純球面形狀，且可仍受益於具有至少一些會聚的琢面邊緣。

雖然可視需要使用具有正方形、矩形或其他通光孔徑形狀之菲涅耳透鏡元件，但一般而言，菲涅耳透鏡將具有圓形通光孔徑。在大多數應用中，組成菲涅耳透鏡系統之透鏡之最小通光孔徑的大小將判定總體光學系統是光瞳形成抑或非光瞳形成系統。詳言之，對於由菲涅耳透鏡系統及FS/UWA/RO表面構成之總體光學系統，系統之出射光瞳將通常為由在彼孔徑下游(亦即，朝向使用者之眼睛)之光學元件產生的菲涅耳透鏡系統之最小通光孔徑的影像。亦即，系統之總體孔徑光闌將通常處於菲涅耳透鏡系統中，此係因為就孔徑而言，FS/UWA/RO表面表現為如同其具有非常大的通光孔徑。取決於由FS/UWA/RO表面(以及由菲涅耳透鏡系統之在具有最小通光孔徑之元件下游側上的任何元件)產生的菲涅耳透鏡系統之最小通光孔徑之影像的大小及位置，總體系統可向使用者提供全視窩動態視野、全視窩+周邊靜態視野或全視窩+周邊動態視野。

圖4展示使用FS/UWA/RO表面及菲涅耳透鏡系統115之HMD光學系統的實施例，該菲涅耳透鏡系統115具有扁平菲涅耳透鏡810及兩個彎曲菲涅耳透鏡815及820(如圖4中所展示，其相互鄰近)。在此圖中展示光線830、835及840，其中光840自環境進入且變得與光830組合以創造組合光835，當使用者在點850之方向察看時，組合光835進入使用者之眼睛。使用者之周邊視覺能力亦允許使用者看到來自不同於點850之點的光。

更明確而言，自至少一影像顯示系統110發出之光860之發散波前會聚於正屈光度菲涅耳透鏡系統中，該正屈光度菲涅耳透鏡系統具有菲涅耳透鏡810、815及820以提供在零屈光度與初始屈光度之間的光830。自至少一影像顯示系統110發出之光之初始屈光度可(例如)為大約D=1/(0.03[m])=33 dpt。在離開菲涅耳透鏡系統後，光自FS/UWA/RO表面120反射，在該情況下，可視需要使用以下論述之表面曲率技術移除額外屈光度發散。

總屈光度改變可(例如)為33 dpt，且在各種實施例中，可在FS/UWA/RO表面與菲涅耳透鏡之間將分裂此總屈光度改變。詳言之，可減少由FS/UWA/RO表面供應之屈光度改變之量，在各種實施例中，此減少在設計及製造FS/UWA/RO表面時可為有利的。因為屈光度為加成性的，然而，由光學組件中之一者供應的大量聚散未必由另一者供應。(屈光度值之此加成性屬性可在組合菲涅耳透鏡系統與FS/UWA/RO表面之準直效應時以及在組合組成菲涅耳透鏡系統之個別透鏡元件之效應時使用。其亦可用以考量可為總體系統之部分的任何其他光學組件之準直效應。)在圖4之例示性實施例中，33 dpt之屈光度改變將形成準直(0 dpt)或實質上準直(~0 dpt)之最終光束。此等效於來自本質上無限遠之點的光，且光波前將為平的，從而導致垂直於該波前之平行表面法線(顯示如光線835)橫跨入口瞳孔而進入眼睛。當外部世界包括相對於使用者實際上無限遠之物品時，準直之反射光可(例如)為合乎需要的。如上文所指出，FS/UWA/RO表面120接納來自外部環境之光線840，因此允許內部影像覆疊外部影像(且詳言之，相對於使用者之眼睛實際上無限遠之外部影像)。

如上文所論述，在已使用反射光學表面之HMD中使用的先前光學系統已為光瞳形成，且因此已具有有限的檢視區，典型的視野為~60度或~60度以下。此情形已大大地限制了先前頭戴式顯示裝置之價值及能力。在各種實施例中，本文中揭示之頭戴式顯示器具有寬得多的視野(FOV)，因此與具有較小視野之HMD相比，允許將多得多的光學資訊提供至使用者。寬視野可大於100°、大於150°或大於200°。除了提供更多資訊之外，寬視野亦允許額外資訊可由使用者以更自然方式處理，從而經由所顯示之影像與實境之較好匹配來實現較好的浸沒式及擴增實境體驗。

具體言之，在圖5中說明之例示性實施例中，對於直前方凝視方向，眼睛能夠獲取在圖5中由彎曲FS/UWA/RO表面201及202表示的整個檢視區，對於每一眼睛，該檢視區對應於至少150度之水平視野(FOV)(例如，~168度之水平FOV)。此視野由眼睛之視窩視野及其周邊視野構成。此外，允許眼睛圍繞其旋轉中心自由移動以在不同的凝視方向上瞄準組合之視窩+周邊視野，如當檢視實際世界時眼睛自然地進行。本文中揭示之光學系統因此允許眼睛貫穿運動範圍以與當檢視自然世界時眼睛獲得資訊之方式相同的方式獲得資訊。

更詳細地查閱圖5，此圖為如自頂部看的使用者之頭部200之前部的簡化線表示。其展示置放於使用者之眼睛203及204前方的FS/UWA/RO表面201及202。如上文所論述，FS/UWA/RO表面201及202可擱置於使用者之鼻子205上，在使用者之鼻子205處，其會合於使用者之頭部200之中前部214處。如以下詳細論述，表面201及202之局部法線及局部空間位置經調整，使得由至少一影像顯示系統(圖5中未圖示)產生之影像針對每一眼睛覆蓋至少100°(例如，在某些實施例中，至少150°，且在其他實施例中，至少200°)之水平FOV。(視情況，亦如以下所論述，局部曲率半徑亦經調整以在與菲涅耳透鏡組合時提供遠距離虛擬影像。)舉例而言，局部法線及局部空間位置可經調整以針對每一眼睛覆蓋使用者之全部~168度直前方水平靜態視野，其中168度自FS/UWA/RO表面201或202之邊緣至邊緣延伸，如由視線210、211及212、213展示。視線因此對應於提供至使用者之寬靜態視野(視窩+周邊)。此外，使用者在繼續察看電腦產生之影像的同時圍繞滾動中心215及216自由移動其眼睛。

在圖5中以及在圖11中，為了易於呈現，將FS/UWA/RO表面展示為球面之部分。實務上，表面並非球面，而具有更複雜的組態，使得其局部法線及局部空間位置(且視情況，局部曲率半徑)將提供所要靜態及動態視野(且視情況，至虛擬影像之所要距離)。又，在圖5中，頭戴式顯示裝置之右側與左側相同地操作，應理解，視需要，針對特定應用兩個側可不同。又為了易於呈現，圖5至圖11不展示在至少一影像顯示系統與反射光學表面之間包括至少一菲涅耳透鏡的光學系統，應理解，根據本發明，此光學系統用於本文中揭示之實施例中。

圖6及圖7進一步說明由本文中揭示之FS/UWA/RO表面提供的靜態及動態視野。圖6展示具有直前方凝視方向73之使用者之標稱右眼71。眼睛之視窩+周邊視野由弧75展示，該弧75具有~168°之角度範圍。注意，為了易於呈現，在圖6至圖8中，如與使用者之光瞳之中心或邊緣相反，相對於使用者之眼睛之旋轉中心展示視野。事實上，由人類眼睛達成之大視野(例如，~168°)為允許高度歪斜之射線進入使用者之光瞳且到達視網膜的視網膜之大的角度範圍之結果。

圖7示意性地展示圖6之視野與HMD之相互作用，該HMD具有：(a)影像顯示系統，其至少一發光表面81具有第一發光區域82(說明為正方形)及第二發光區域83(說明為三角形)，及(b)FS/UWA/RO表面，其具有具第一局部法線85之第一反射區域84及具第二局部法線87之第二反射區域86。

如上文所指示，FS/UWA/RO表面為「自由空間」表面及「超寬角度」表面兩者。此外，如上文所指出且以下更詳細地論述，該表面可參與對進入使用者之眼睛之光的準直(或部分準直)。此準直使由FS/UWA/RO表面及菲涅耳透鏡系統產生之虛擬影像顯得位於距使用者長的距離(例如，30公尺或30公尺以上)處，其准許使用者易於藉由放鬆的眼睛聚焦於虛擬影像。

可藉由調整表面之局部法線來達成FS/UWA/RO表面之「自由空間」及「超寬角度」態樣，使得使用者之眼睛將至少一影像顯示系統之發光區域視為來自FS/UWA/RO表面之預定區域(表面上之預定位置)。

舉例而言，在圖7中，HMD之設計者可決定當使用者之凝視方向為直前方時由使用者之視網膜之中心部分檢視到正方形之虛擬影像88及當凝視方向在直前方左邊(例如)~50°時由使用者之視網膜之中心部分檢視到三角形之虛擬影像89將為有利的。設計者將接著組態至少一影像顯示系統、FS/UWA/RO表面、菲涅耳透鏡系統及系統之任何其他光學組件，使得在HMD之使用期間，正方形之虛擬影像將為直前方的且三角形之虛擬影像將在直前方左邊50°。

以此方式，當使用者之凝視方向(視線)與FS/UWA/RO表面直的相交時，將按需要在使用者之眼睛之中心處可見正方形之虛擬影像，且當使用者之凝視方向(視線)與FS/UWA/RO表面以與直前方向左50度相交時，將亦按需要在使用者之眼睛之中心處可見三角形之虛擬影像。雖然未在圖6及圖7中所說明，但將相同的方法用於垂直視野，以及用於離軸視野。更一般而言，在設計HMD及其光學組件中之每一者時，設計者將顯示器之至少一發光表面「映射」至反射表面，使得當眼睛之凝視在特定方向上時，顯示器之所要部分為使用者之眼睛可見。因此，當眼睛在視野上掃描(水平及垂直兩者)時，FS/UWA/RO表面將影像顯示系統之至少一發光表面之不同部分照亮至使用者之眼睛內。雖然前述論述已就標稱使用者之視網膜之中心而言來進行，但當然，該設計處理程序可視需要替代地使用標稱使用者之視窩的位置。

應注意，在圖7中，使用者之眼睛向右邊的任何旋轉使三角形之虛擬影像89不再為使用者可見。因此，在圖7中，直前方或直前方左邊之任何凝視方向給使用者提供正方形之虛擬影像及三角形之虛擬影像兩者，而直前方右邊之凝視方向僅提供正方形之虛擬影像。當然，虛擬影像之銳度將取決於虛擬影像是由使用者之視窩視覺感知抑或使用者之周邊視覺感知。

若HMD之設計者已將正方形之虛擬影像置放於圖7中右邊較遠處，同時使三角形之虛擬影像在左邊較遠處，則將存在僅正方形之虛擬影像可見之凝視方向及僅三角形之虛擬影像可見之其他凝視方向。同樣地，基於本文中揭示之原理，設計者可配置正方形之虛擬影像及三角形之虛擬影像，使得三角形之虛擬影像始終可見，其中正方形之虛擬影像針對一些凝視方向而不針對其他凝視方向可見。作為另一變化，HMD之設計者可將正方形及三角形之虛擬影像置放於對於一或多個凝視方向無影像可為使用者可見之位置處，例如，設計者可將虛擬影像置放成剛好在針對直前方之凝視方向的使用者之靜態視野外。由本發明提供至HMD設計者之靈活性因此易於顯而易見。

在一實施例中，藉由使用Fermat及Hero之原理(光依據其沿著最短(最小時間)光徑行進)達成反射表面之「自由空間」及「超寬角度」態樣。以名稱G. Harrison、D. Smith及G. Wiese而與本專利同時申請之題為「Methods and Systems for Creating Free Space Reflective Optical Surfaces」且由代理人案號IS-00354識別的共同讓渡且同在申請中之美國專利申請案第13/211,389號(其內容被以引用的方式併入本文中)描述使用Fermat及Hero原理設計適合於在HMD中使用之FS/UWA/RO表面的實施例。亦參見以名稱G. Harrison、D. Smith及 G. Wiese與本專利同時申請之題為「Head-Mounted Display Apparatus Employing One or More Reflective Optical Surfaces」且由代理人案號IS-00267識別的共同讓渡且同在申請中之美國專利申請案第13/211,372號，其內容被以引用的方式併入本文中。

借助於Fermat及Hero最小時間原理，可使影像顯示系統之至少一發光表面之任何「所要部分」(例如，影像顯示系統之任何像素)在FS/UWA/RO表面處具有任何所要反射點，其限制條件為自至少一發光表面之所要部分至FS/UWA/RO表面處之反射點且接著至使用者之眼睛之旋轉中心的光徑處於極值。

光徑之極值意謂光徑長度之一階導數已達到零值，其表示光徑長度之最大值或最小值。可藉由創造反射光學表面之局部區域而在視野中之任何點處插入極值，該局部區域之法線等分(a)自局部區域至使用者之眼睛的向量(例如，自局部區域之中心至使用者之眼睛之中心的向量)與(b)自局部區域至發光表面之「所要部分」的向量(例如，自局部區域之中心至發光表面之「所要部分」之中心的向量)。圖8及圖9說明針對影像顯示系統之至少一發光表面之「所要部分」為像素之情況的處理程序。

具體言之，圖8展示由大體上矩形之像素陣列構成之影像顯示系統的發光表面510，該等像素在光束515之方向上朝向頭戴式顯示裝置之前部發出光。光束515自反射光學表面520彈出，為了易於呈現，反射光學表面520在圖8中展示為扁平的。在反射後，光束515即變為進入使用者之眼睛530的光束525。

出於判定用於每一像素之反射器之表面法線的目的，僅有必要判定對應於光束515及525之向量之三維等分線。在圖8中，此等分線向量以二維形式展示為線535。等分向量535與反射光學表面在反射點540處正交，反射點540為表面520上發光表面510之像素545將為HMD之使用者可見的位置。

具體言之，在操作中，顯示表面510中之像素545發射光束515，光束515以由對應於等分向量535之表面法線及其垂直平面550確定之角度自反射光學表面520彈出，從而藉由Fermat及Hero原理在由眼睛530沿著光束525看到之反射點540處產生反射之像素。為了準確計算反射點540處之表面法線，光束525可大致穿過使用者之眼睛530之中心555。即使使用者之眼睛旋轉以變為周邊視覺，結果將仍保持大致穩定，直至(如以上結合圖6及圖7論述)眼睛轉動如此多以致不能藉由使用者之視窩或周邊視覺看到顯示器之區域。

為了計算表面法線之位置，可使用四元數方法之使用，其中

q1=光束515之定向

q2=光束525之定向

且

q3=所要表面法線535之定向=(q1+q2)/2

亦可以向量記號來描述表面法線，如在圖10中所說明。在以下等式中且在圖10中，點N遠離反射光學表面之所關注區域之中心處的點M一個單位之距離，且在點M處之反射光學表面之切平面的垂直法線之方向上。控制點M處之反射光學表面之切平面以滿足用以下等式表達之關係，使得在三維空間中，點M處之表面法線等分自點M至所關注像素之中心處的點P之線與自點M至使用者之眼睛之滾動中心處的點C之線(為了參考，點C自眼睛之前部向後大約13 mm)。

描述點M處之表面法線上的點N之等式為：

其中所有點N、M、P及C具有指示其在任意笛卡爾座標系統中之三維空間中之位置的分量[x,y,z]。

所得法線向量N-M具有歐幾里德(Euclidean)長度。

|N-M|=1

其中兩個垂直條表示歐幾里德長度，計算如下：

作為一數值實例，考慮以下M、P及C值：

M=[x _M ,y _M ,z _M ]=[4,8,10]

P=[2,10,5]

C=[6,10,5]

沿著法線之點N計算如下：

P-M=[(2-4),(10-8),(5-10)]=[-2,2,-5]

C-M=[(6-4),(10-8),(5-10)]=[2,2,-5]

(P-M)+(C-M)=[0,4,-10]

且

幾何圖展示於圖19中，其中等分線處於兩個較長向量之間。

當然，前述內容僅為用以展示在判定對於組成意欲向檢視器呈現相鄰虛擬影像之反射區域之自由空間(自由形式)表面流形(manifold)之點場之局部切平面角度約束時使用最小時間之Fermat及Hero原理的代表性計算。僅實常數為使用者之眼睛之中心及眼睛之自然視野。可以迭代方式更新所有其他分量，直至得到用於給定影像顯示系統及反射光學表面定向之適當解決方案。另一方面，像素影像反射位置M1、M2、...、Mn及其相關聯之法線及曲率可被視為矩陣，該矩陣經「變形」(調整)使得FS/UWA/RO表面達成對由影像顯示系統形成之電腦產生之影像的所要虛擬影像處理。

在應用Fermat及Hero原理時，應注意，在一些實施例中，將需要避免調整法線使得使用者在一個以上點處看到相同像素反射之情形。亦應注意，在一些實施例中，反射光學表面之局部區域可非常小，且可甚至對應於反射器上之點，其中該等點形變(morph)成其他點以形成平滑表面。

為了促進陳述，存在菲涅耳透鏡系統之效應尚未明確地包括於使用Fermat及Hero原理設計FS/UWA/RO表面之以上論述中。實務上，藉由將光束在其已穿過組成菲涅耳透鏡系統之光學元件(或在總體光學系統中使用之任何其他光學元件)後的傳播方向用作至Fermat及Hero計算之輸入，菲涅耳透鏡系統之存在易於包括於分析中。可(例如)使用高斯光學技術判定彼等傳播方向。可視需要針對不同初始光聚散度設定(如藉由改變菲涅耳透鏡系統之菲涅耳透鏡焦度直至獲得所要虛擬影像來控制)來重複Fermat及Hero計算。

為了確保使用者可易於聚焦於至少一發光表面之「所要部分」之虛擬影像(例如，像素之虛擬影像)，在某些實施例中，控制包圍反射點(反射區)之區域之曲率半徑使得在穿過菲涅耳透鏡系統且自FS/UWA/RO表面反射後，準直(或幾乎準直)之影像到達使用者。如上文所指出，準直(或幾乎準直)之影像具有較平行之光射線，就好像影像已起源於距使用者之遠距離(例如，數十至數百公尺)處。為了達成此表面，取決於菲涅耳透鏡系統之準直功率，可將對應於至少一發光表面之「所要部分」(所要發光像素)的反射光學表面之反射區域之曲率半徑保持為大約(但大於)自反射區域至顯示器上之發光表面之實際「所要部分」(實際像素)的距離之一半的半徑。更明確而言，半徑將大約為自反射區域至發光表面之「所要部分」的視距之一半(當自反射區域之位置經由菲涅耳透鏡系統檢視「所要部分」時)。

因此，在一實施例中，自相關像素至鄰近像素的反射之像素間法線向量滿足一關係，該關係允許該等像素建立大約為自反射表面上之反射之像素的位置至顯示像素之視在位置的向量之長度之大約一半的曲率半徑(如經由菲涅耳透鏡系統看到)。影響此參數之調整包括至少一發光表面之大小及該至少一發光表面是否彎曲。

圖9說明此實施例。為了控制包圍像素反射之區域之曲率半徑使得準直(或幾乎準直)之影像到達使用者，(諸如)在反射點540處考慮兩個鄰近的像素反射區域。為了達成更好的平衡，可考慮更多區域，但兩個為足夠的。參看圖9，分別相對於顯示表面510上之兩個像素545及615展示兩個像素反射點540及610。在點540及610處之表面法線連同其方向之間的角度一起經計算。在知曉此等角度及點540與610之間的距離的情況下，計算曲率半徑。具體言之，調整表面組態及(視需要)表面之空間位置，直至曲率半徑大約為光束515及620之長度之平均值的大約一半(當針對菲涅耳透鏡系統之效應調整彼等長度時)。以此方式，可將零或近零屈光度的光提供至使用者之眼睛。如上文所指出，此等效於來自本質上無限遠之點的光，且光波前為平的，從而形成與光之波前平行的表面法線。

除了控制局部曲率半徑之外，在某些實施例中，作為使準直(或幾乎準直)之影像進入眼睛之一階點解，至少一發光表面標稱地位於遠離FS/UWA/RO表面一個焦距之距離處，其中該焦距係基於組成FS/UWA/RO表面之各種反射區域之曲率半徑的平均值。

應用Fermat及Hero原理之結果為可組合成平滑反射表面之一組反射區域。一般而言，此表面將不為球面或對稱的。圖11為此FS/UWA/RO表面520之二維表示。如上文所論述，表面520可經建構使得在點710及720處之曲率半徑經設定為如下值：當該等值與菲涅耳透鏡系統之準直效應組合時提供對來自影像顯示系統之至少一發光表面的影像(其正由該表面反射)之放鬆檢視。以此方式，在由線730表示之某一方向上察看將提供準直(或幾乎準直)之視覺影像至眼睛530，將在由線740表示之不同方向上察看亦如此。為了實現在整個視野上之檢視之平滑轉變，FS/UWA/RO表面之區域可平滑地自一控制點轉變至另一控制點，如可藉由將非均勻有理B樣條(NURBS)技術用於樣條化表面來執行，因此創造在反射表面上之平滑轉變。在一些情況下，FS/UWA/RO表面可包括足夠數目個區域，使得表面在細粒度等級下變得平滑。在一些實施例中，可使用漸變梯度提供用於顯示器之每一部分(例如，每一像素)的不同放大，以允許較好的可製造性、實現及影像品質。

自前述內容可看出，可使用以下例示性步驟來設計總體頭戴式顯示器：判定所要的視野，選擇顯示表面大小(例如，寬度及高度尺寸)，選擇顯示表面相對於反射表面之定向，選擇顯示器與反射表面之間用於菲涅耳透鏡系統之候選位置，選擇用於菲涅耳透鏡系統之候選組態，對如經由菲涅耳透鏡系統看到之顯示表面上之每一像素的位置分類，及選擇反射表面上用於顯示來自顯示表面之每一像素的位置。顯示表面及菲涅耳透鏡系統可置放於眼睛上方且朝向反射表面傾斜，從而允許反射表面之曲率以將光反射至佩戴者之眼睛。在其他實施例中，顯示表面及菲涅耳透鏡系統可置放於其他位置中(諸如，在眼睛側面或在眼睛下方)，其中反射位置及曲率經選擇以適當地反射來自顯示表面之光，或以不同程度傾斜。

在某些實施例中，可創造反射表面之三維具現化或數學表示，其中如上文所論述，反射表面之每一區域為具有等分自彼區域之中心至使用者之眼睛之中心及自彼區域之中心至顯示表面中之像素之中心(由於存在菲涅耳透鏡系統而產生之像素之視在位置的中心)的向量之法線的局部區域。亦如上文所論述，可控制包圍像素反射之區域之曲率半徑使得結合菲涅耳透鏡系統之準直效應，準直(或幾乎準直)之影像在視野上到達使用者。經由基於電腦之迭代，可調整可改變參數(例如，反射表面之局部法線、局部曲率及局部空間位置，以及用於菲涅耳透鏡系統之元件之數目、元件之焦度、元件之曲率及元件之位置)，直至識別參數之在視野上提供所要光學效能等級以及美學上可接受之可製造設計的組合(集合)。

在使用期間，結合菲涅耳透鏡系統之非對稱FS/UWA/RO表面(在某些實施例中，其由具有多個局部焦點區域之樣條化表面建構)形成在寬視野上伸展之影像顯示系統之至少一發光表面的虛擬影像。FS/UWA/RO表面可被視為漸進式鏡或漸進式彎曲光束分光器或自由形式鏡或反射器。當眼睛在視野上掃描(水平及垂直兩者)時，彎曲FS/UWA/RO表面將影像顯示系統之至少一發光表面之不同部分照亮至使用者之眼睛內。在各種實施例中，總體光學系統可以低成本大量製造，同時維持與典型之人類視覺解析度相稱的影像品質。

IV.使用非FS/UWA/RO反射表面之HMD

如上文所指出，圖4展示使用彎曲FS/UWA/RO表面及彎曲菲涅耳透鏡系統之HMD光學系統的實施例。使用並非FS/UWA/RO表面之彎曲反射表面之HMD光學系統以及使用扁平反射表面之HMD光學系統亦可受益於彎曲菲涅耳透鏡系統在影像顯示系統與反射表面之間的使用。圖12至圖14展示使用扁平反射表面及彎曲菲涅耳透鏡系統之例示性實施例。

在圖12中，展示佩戴包括光學透視、擴增實境雙筒檢視器1310的頭戴式顯示器之使用者1300。檢視器1310包括至少一影像顯示系統1320、至少一反射表面1380及提供顯示器之近距離檢視及寬視野的至少一彎曲菲涅耳透鏡系統。通常，檢視器1310針對每一眼睛將包括一顯示系統/彎曲菲涅耳透鏡系統/反射表面組合，但此等組件中之一或多者可視需要服務兩個眼睛。

如圖12中所展示，彎曲菲涅耳透鏡系統包括菲涅耳透鏡1330及1335。在各種實施例中，可使用扁平菲涅耳透鏡1330及彎曲菲涅耳透鏡1335兩者以提供100度或100度以上之視野。如同本文中論述之其他例示性實施例，可在彎曲菲涅耳透鏡系統中使用比圖12中所展示之透鏡多或少的透鏡。在一實施例中，可使用單一彎曲菲涅耳透鏡元件。注意，在使用FS/UWA/RO表面之實施例中，可使用單一菲涅耳透鏡元件，例如，單一彎曲菲涅耳透鏡元件。在圖13及圖14中說明之另一實施例中，使用三個菲涅耳透鏡元件1125、1130及1135。

提供電子封裝1340以用於控制由至少一影像顯示系統1320顯示之影像。電子封裝1340可包括用於定位使用者之加速度計及迴轉儀。可經由傳輸纜線1350或無線媒體將電力及視訊提供至雙筒檢視器及自雙筒檢視器提供電力及視訊。一組攝影機1370可位於使用者之頭部之相對側上以將輸入提供至HMD之軟體封裝以幫助控制擴增實境場景之電腦產生。

光學透視、擴增實境雙筒檢視器1310包括至少一反射光學表面1380，其允許至少一內部產生之影像覆疊自外部環境進入檢視器之至少一影像。詳言之，光1386藉由穿過反射光學表面1380而自外部環境進入檢視器。此光與來自影像顯示系統及彎曲菲涅耳透鏡系統之光1385(其已由反射光學表面1380朝向使用者之眼睛反射)組合。結果為組合光1387，當使用者在點1390之方向上察看時，其進入使用者之眼睛。使用者之周邊視覺能力允許使用者看到來自反射光學表面1380之遠離點1390之其他部分的光。

在如展示之一實施例中，至少一影像顯示系統1320及彎曲菲涅耳透鏡系統(例如，菲涅耳透鏡1330及1335)支撐於使用者之眼睛上方，且遠離眼睛突出而在實質上水平之平面上延伸。對於此實施例，至少一反射光學表面1380可由HMD之前向前部框架區段之底部邊緣支撐(耦接至該底部邊緣)，且與該邊緣成角度以將來自至少一影像投影器件1320之光反射至使用者之眼睛內。在一實施例中，反射光學表面1380成角度，使得其頂端距使用者之臉部最遠，而其下端最接近使用者之臉部。反射光學表面可視需要包括在臉部之側面上定向的扁平(或彎曲)部分。

圖12中展示之類型之頭戴式顯示裝置的射線追蹤分析提供於圖13及圖14中。圖13至圖14之實施例使用三個菲涅耳透鏡元件1125、1130及1135，而非圖12之兩個菲涅耳元件1330及1335。在圖13及圖14中，展示光線1430、1435及1440，使得光線1440自環境進入，且與已自反射光學表面1380反射之光線1430組合以創造組合光線1435，當使用者在點1442之方向上察看時，組合光線1435進入使用者之眼睛。使用者之周邊視覺能力亦允許使用者看到來自反射表面1380之遠離點1442之其他部分的光。

如在圖14中最佳地看出，自至少一影像投影器件1320發出之光1460之發散波前由具有菲涅耳透鏡1125、1130及1135之正屈光度菲涅耳透鏡系統會聚以提供撞擊扁平反射光學表面1380之零屈光度光1430，在該情況下，該光彎曲成進入使用者之光瞳的零屈光度光1435。此等效於來自本質上無限遠之點的光，且光波前為平的，從而導致跨越至眼睛之入射光瞳上而與波前平行的表面法線(展示為射線1435)。反射光學表面1380亦接納來自外部環境之光1440(參見圖13)，因此允許內部影像覆疊外部影像，亦如在圖14中展示為外部起源之光束1510。

V.直視HMD

除了以上應用之外，在無插入之反射光學表面之情況下，彎曲菲涅耳透鏡系統亦可用於影像顯示系統之直視。此組態將為浸沒式，但可經由使用一或多個視訊攝影機包括外部世界資訊。藉由使用包含堆疊菲涅耳透鏡之菲涅耳透鏡系統，可在緊湊空間中達成將顯示之影像投影至寬視野內的具有短焦距及高功率之光學系統。

圖15為使用者900佩戴頭戴式顯示器中之浸沒式雙筒檢視器910之側視圖表示。針對每一眼睛之至少一影像顯示系統920在頭戴式顯示裝置內部，該至少一影像顯示系統920經調整以用於藉由彎曲菲涅耳透鏡系統930之近距離檢視。電子封裝940可包括加速度計及/或迴轉儀以控制顯示之影像，且提供位置、定向及定位資訊以使顯示器上之影像與使用者活動同步。可經由傳輸纜線950或無線媒體將電力及視訊提供至雙筒檢視器及自雙筒檢視器提供電力及視訊。使用者900及檢視器910之俯視圖說明於圖16中，包括與檢視器910有關之眼睛955及鼻子960。菲涅耳透鏡系統930之菲涅耳透鏡經堆疊及彎曲。

在此實施例中，將至少一影像顯示系統920在使用者之眼睛前方直接安裝至HMD之框架，且本質上經垂直定向使得像素在使用者之眼睛之方向上直接發出光以用於浸沒式虛擬世界體驗。彎曲菲涅耳透鏡系統930配置於影像顯示系統920之顯示幕與使用者之眼睛之間，且允許眼睛聚焦於緊密接近之螢幕上。

可使用射線追蹤檢視圖15及圖16中說明之頭戴式顯示裝置之操作。圖17說明自至少一影像顯示系統920發出之光1120之發散波前，該光1120藉由具有菲涅耳透鏡1125、1130及1135之正屈光度菲涅耳透鏡系統準直以將大致零屈光度光1140提供至使用者之眼睛之光瞳1145。光1140等效於來自本質上無限遠之點的光，且光波前為平的，從而導致跨越至眼睛之入射光瞳1145而與波前平行的表面法線(展示為射線1140)。

更明確而言，在圖17中看出，具有菲涅耳透鏡1125、1130及1135之彎曲菲涅耳透鏡系統允許穿過在菲涅耳透鏡1125、1130及1135之邊緣處之場點1155的光1150自與源於點1165之光束1160不同的方向進入眼睛。具有菲涅耳透鏡1125、1130及1135之彎曲菲涅耳透鏡系統允許光看起來如同其沿著光線路徑1170進入使用者之視野。此情形允許由角度1175指示之量之視在視野(視在角距)的增加。

圖18為展示準直之平行射線1140經由光瞳1145進入眼睛1205且聚焦於發生最高視覺銳度之視窩1210的射線追蹤。周圍視網膜1215回應較寬視野，但按較低銳度回應(例如，在點1220及1225處)。

VI.總體考慮

就HMD之總體結構而言，表1陳述了根據本發明建構之HMD顯示器通常將符合的參數之代表性、非限制性實例。此外，本文中揭示之HMD顯示器通常將具有足夠小以確保在使用者之視覺平面中建立使人信服之影像的像素間距離。

可在本文中揭示之頭戴式顯示裝置中包括之各種特徵包括(但不限於)以下各者，其中之一些已在上文提及：

(1)在一些實施例中，反射光學表面(當使用時)可為半透明的，從而允許光自外部環境進入。內部顯示器產生之影像可接著覆疊外部影像。可經由使用局部化設備(諸如，迴轉儀、攝影機)及軟體操縱電腦產生之影像來對準兩個影像，使得虛擬影像處於外部環境中之適當位置處。詳言之，可使用攝影機、加速度計及/或迴轉儀輔助裝置註冊其在實境中何處及將其影像疊置於外部視圖上。在此等實施例中，可選擇反射光學表面之相對透射率與反射率之間的平衡以向使用者提供具有適當亮度特性之覆疊影像。又，在此等實施例中，真實世界影像及電腦產生之影像可顯得皆處於大致相同之視距，使得眼睛可同時聚焦於兩個影像。

(2)在一些實施例中，將反射光學表面(當使用時)保持儘可能薄，以便使對穿過表面之外部光之位置或焦點的影響最小化。

(3)在一些實施例中，頭戴式顯示裝置將至少100度、至少150度或至少200度之視野提供至每一眼睛。

(4)在一些實施例中，由頭戴式顯示器提供至每一眼睛之視野並不在任何大的程度上重疊使用者之鼻子。

(5)在一些實施例中，反射光學表面(當使用時)可使用其光學處方(prescription)在視野上之漸進轉變以維持對可用顯示區之聚焦。

(6)在一些實施例中，可使用射線追蹤針對特定實施(諸如，軍事訓練、飛行模擬、遊戲及其他商業應用)定製裝置參數。

(7)在一些實施例中，可關於在視網膜及/或視窩處之調變轉移函數(MTF)規格來操縱反射光學表面(當使用時)及/或顯示器之表面以及菲涅耳透鏡之屬性及位置，及顯示器與反射光學表面(當使用時)之間及反射光學表面(當使用時)與眼睛之間的距離。

(8)在一些實施例中，本文中揭示之HMD可實施於諸如(但不限於)狙擊手偵測、商業訓練、軍事訓練及作戰以及CAD製造之應用中。

(9)雖然在該等圖中展示為扁平的，但影像顯示系統亦可具有彎曲發光表面。

一旦經設計，即可使用現在已知或隨後開發的多種技術及多種材料生產(例如，大量製造)本文中揭示之反射光學表面(例如，FS/UWA/RO表面)。舉例而言，該等表面可由已金屬化以具有合適反射性之塑膠材料製成。亦可使用拋光之塑膠或玻璃材料。對於「擴增實境」應用，可自具有內嵌小反射器之透射性材料建構反射光學表面，因此反射入射波前之部分，同時允許光透射穿過該材料。特定關於本文中揭示之彎曲菲涅耳透鏡系統，可獲得已彎曲或由可彎曲材料(諸如，可彎曲玻璃或塑膠以允許在組裝時彎曲)製成的彼等系統之一或多個彎曲菲涅耳透鏡。

對於原型零件，丙烯酸塑膠(例如，膠質玻璃)可供正藉由金剛石車削形成之零件使用。對於生產零件，丙烯酸或聚碳酸酯可(例如)供正藉由(例如)射出模製技術形成之零件使用。可使用在邊緣處最小2 mm之厚度，從而需要相稱地定大小之菲涅耳組件。典型的菲涅耳琢面寬度可為約200微米。反射光學表面可描述為詳細的電腦輔助製圖(CAD)描述或描述為非均勻有理B樣條NURBS表面(其可轉換成CAD描述)。具有CAD檔案可允許使用3D印刷來製造器件，在該情況下，CAD描述直接產生3D物件而無需機械加工。

以上論述之數學技術可在現在已知或隨後開發之各種程式設計環境中及/或以現在已知或隨後開發之各種程式設計語言來編碼。當前較佳之程式設計環境為在Eclipse Programmer之介面中執行的Java語言。亦可視需要使用諸如Microsoft Visual C#之其他程式設計環境。亦可使用由PTC(Needham,Massachusetts)市場銷售之Mathcad平台及/或來自MathWorks,Inc.,(Natick,Massachusetts)之Matlab平台執行計算。所得程式可儲存於硬碟機、記憶卡、CD或類似器件上。可使用可購自多個供應商(例如，DELL、HP、TOSHIBA等)之典型桌上型計算設備執行該等程序。或者，可視需要使用包括「雲端」計算之更強大的計算設備。

一般熟習此項技術者自前述揭示內容將顯而易見不脫離本發明之範疇及精神的多種修改。以下申請專利範圍意欲涵蓋本文中陳述之特定實施例，以及彼等實施例之修改、變化及等效物。

30．．．菲涅耳透鏡元件

31．．．菲涅耳透鏡元件之琢面

32．．．菲涅耳透鏡元件之琢面之邊緣

33．．．徑向線

34．．．使用者之眼睛之旋轉中心

35．．．使用者之眼睛

36．．．內部晶體/自然晶體/使用者之晶體

71．．．使用者之標稱右眼

72．．．使用者之眼睛之旋轉中心

73．．．直前方凝視方向

75．．．弧

81．．．發光表面

82．．．第一發光區域

83．．．第二發光區域

84．．．第一反射區域

85．．．第一局部法線

86．．．第二反射區域

87．．．第二局部法線

88．．．正方形之虛擬影像

89．．．三角形之虛擬影像

100．．．頭戴式顯示裝置

105．．．使用者/使用者之頭部

107．．．框架

110．．．影像顯示系統

115．．．菲涅耳透鏡系統

120．．．反射光學表面/FS/UWA/RO表面

120L．．．FS/UWA/RO表面

120R．．．FS/UWA/RO表面

140．．．電子封裝

150．．．傳輸纜線

170．．．攝影機

180．．．光線

185．．．光線

190．．．光線

195．．．點

200．．．使用者之頭部

201．．．彎曲FS/UWA/RO表面

202．．．彎曲FS/UWA/RO表面

203．．．使用者之眼睛

204．．．使用者之眼睛

205．．．使用者之鼻子

210．．．鼻脊件/視線

211．．．視線

212．．．視線

213．．．視線

214．．．頭部之中前部

215．．．滾動中心

216．．．滾動中心

510．．．發光表面

515．．．光束

520．．．反射光學表面/FS/UWA/RO表面

525．．．光束

530．．．使用者之眼睛

535．．．線/等分向量/所要表面法線

540．．．反射點

545．．．像素

550．．．垂直平面

555．．．眼睛之中心

610．．．反射點

615．．．像素

620．．．光束

710．．．點

720．．．點

730．．．線

740．．．線

810．．．扁平菲涅耳透鏡

815．．．彎曲菲涅耳透鏡

820．．．彎曲菲涅耳透鏡

830．．．光線/光

835．．．光線/射線

840．．．光線/光

850．．．點

860．．．光

900．．．使用者

910．．．浸沒式雙筒檢視器

920．．．影像顯示系統

930．．．彎曲菲涅耳透鏡系統

940．．．電子封裝

950．．．傳輸纜線

955．．．眼睛

960．．．鼻子

1120．．．光

1125．．．菲涅耳透鏡

1130．．．菲涅耳透鏡

1135．．．菲涅耳透鏡

1140．．．光/平行射線/零屈光度光

1145．．．入射光瞳

1150．．．光

1155．．．場點

1160．．．光束

1165．．．點

1170．．．光線路徑

1175．．．角度

1205．．．眼睛

1210．．．視窩

1215．．．周圍視網膜

1220．．．點

1225．．．點

1300．．．使用者

1310．．．光學透視、擴增實境雙筒檢視器

1320．．．影像顯示系統/影像投影器件

1330．．．扁平菲涅耳透鏡/菲涅耳元件/透鏡元件

1335．．．彎曲菲涅耳透鏡/菲涅耳元件

1340．．．電子封裝

1350．．．傳輸纜線

1370．．．攝影機

1380．．．反射光學表面

1385．．．光

1386．．．光

1387．．．組合光

1390．．．點

1430．．．光線/零屈光度光

1435．．．組合光線/零屈光度光/射線

1440．．．光線

1442．．．點

1460．．．光

1510．．．光束

圖1為根據一實例實施例之頭戴式顯示裝置之側視圖表示。

圖2為圖1之頭戴式顯示裝置之正視圖表示。

圖3為根據一實例實施例之具有琢面的菲涅耳透鏡元件之示意性橫截面圖，該等琢面之邊緣穿過使用者之眼睛之旋轉中心。

圖4說明根據一實例實施例之用於頭戴式顯示裝置的光學系統，該頭戴式顯示裝置包括菲涅耳透鏡系統及彎曲反射光學表面。

圖5為根據一實例實施例之說明對應於使用者之兩個眼睛的兩個彎曲反射光學表面之使用的頭戴式顯示裝置之俯視圖。

圖6為說明針對直前方凝視方向之標稱人類眼睛的靜態視野之示意圖。

圖7為說明根據一實例實施例之圖6之靜態視野與FS/UWA/RO表面之間的相互作用之示意圖。圖7中之箭頭說明光傳播之方向。

圖8為說明根據一實例實施例之自顯示器上之給定像素(當其朝向眼睛反射時)的光路之射線圖。

圖9為說明根據一實例實施例之自顯示器上之兩個像素(當其朝向眼睛反射時)的光路之射線圖。

圖10為說明根據一實例實施例之在選擇反射器之局部法線的方向時使用之變數之圖。

圖11為根據一實例實施例之彎曲反射器連同光路之表示。

圖12為根據一實例實施例之具有菲涅耳透鏡系統的擴增實境頭戴式顯示裝置之側視圖的方塊圖。

圖13為說明在圖12中展示之類型的擴增實境頭戴式顯示裝置中之光線的射線圖。

圖14為說明在圖13之擴增實境頭戴式顯示裝置中的顯示及外部光線之射線圖。

圖15為根據一實例實施例之具有菲涅耳透鏡系統的浸沒式頭戴式顯示裝置之側視圖的方塊圖。

圖16為根據一實例實施例之具有菲涅耳透鏡系統的浸沒式頭戴式顯示裝置之俯視圖的方塊圖。

圖17為說明在圖15及圖16中展示之類型的浸沒式頭戴式顯示裝置中之光線的射線圖。

圖18為說明根據一實例實施例之進入使用者之眼睛的光線之射線圖。

圖19為說明根據一實例實施例之用於計算反射表面之局部法線的幾何圖之示意圖。

100．．．頭戴式顯示裝置

105．．．使用者/使用者之頭部

107．．．框架

110．．．影像顯示系統

115．．．菲涅耳透鏡系統

120．．．反射光學表面/FS/UWA/RO表面

140．．．電子封裝

150．．．傳輸纜線

170．．．攝影機

180．．．光線

185．．．光線

190．．．光線

195．．．點

Claims (42)

1. 一種頭戴式顯示裝置，其包含：(I)一框架，其經調適以安裝於一標稱使用者之頭部上；(II)一影像顯示系統，其由該框架支撐；(III)一非繞射且反射光學表面，其由該框架支撐，該反射光學表面相對於三維笛卡爾座標系統之任何座標軸為非旋轉對稱的一連續表面，且被配置以將光會聚至標稱使用者之眼睛；及(IV)一菲涅耳透鏡系統，其由該框架支撐，該菲涅耳透鏡系統被配置以接受直接由該影像顯示系統所發出之光線而無任何插入之光學元件在該菲涅耳透鏡系統與該反射光學表面之間，並以朝向該反射光學表面之方向折射該光線；其中：(a)該影像顯示系統包括至少一發光表面；(b)該反射光學表面被配置以反射該至少一發光表面之空間上分離之部分的空間上分離之虛擬影像，該等空間上分離之虛擬影像中之至少一者與該等空間上分離之虛擬影像中之至少一其他者在角度上分離至少100度，該角度分離係自一標稱使用者之眼睛之旋轉中心來量測；且(c)在使用期間，該反射光學表面之至少一點與該反射光學表面之至少一其他點在角度上分離至少100 度，該角度分離係自一標稱使用者之眼睛之該旋轉中心來量測。
2. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中：該反射光學面被配置以反射該等空間上分離之虛擬影像中之至少一者與該等空間上分離之虛擬影像中之至少一其他者在角度上分離至少150度，至多至一凝視方向之最寬視野；且該反射光學表面之該至少一點與該反射光學表面之至少一其他點在角度上分離至少150度，至多至該凝視方向之最寬視野。
3. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中：該反射光學面被配置以反射該等空間上分離之虛擬影像中之至少一者與該等空間上分離之虛擬影像中之至少一其他者在角度上分離至少200度，至多至一凝視方向之最寬視野；且該反射光學表面之該至少一點與該反射光學表面之至少一其他點在角度上分離至少200度，至多至該凝視方向之最寬視野。
4. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中該反射光學面被配置以反射：沿著穿過該反射光學表面之該至少一點之一凝視方向之該等空間上分離之虛擬影像中之該至少一者；且沿著穿過該反射光學表面之該至少一其他點之一凝視方向之該等空間上分離之虛擬影像中之該至少一其他 者。
5. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中該反射光學表面為半透明的。
6. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中該裝置具有一單一個反射光學表面。
7. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中該裝置具有兩個反射光學表面，一反射光學表面用於該標稱使用者之一眼睛。
8. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中該菲涅耳透鏡系統具有一單一之菲涅耳透鏡元件。
9. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中該菲涅耳透鏡系統具有兩個菲涅耳透鏡元件，該一菲涅耳透鏡元件對應使用者之一眼睛。
10. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中該菲涅耳透鏡系統被配置以至少部分地使自該影像顯示系統之至少一發光表面發射之光準直。
11. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中該反射光學表面經組態以部分地使自該影像顯示系統之至少一發光表面發射之光準直。
12. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中該菲涅耳透鏡系統包含至少一彎曲菲涅耳透鏡元件。
13. 如請求項12之頭戴式顯示裝置，其中該至少一彎曲菲涅耳透鏡元件朝向該反射光學表面凹入。
14. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中該菲涅耳透鏡系統 包含具有複數個琢面之至少一菲涅耳透鏡元件，該等琢面藉由邊緣相互分離，其中，該等邊緣中之至少一些沿著徑向線鋪置，該等徑向線(i)穿過該標稱使用者之眼睛之一旋轉中心，或(ii)穿過該標稱使用者之自然晶體之中心，或(iii)與該標稱使用者之角膜之表面正交。
15. 一種頭戴式顯示裝置，其包含：(I)一框架，其經調適以安裝於一標稱使用者之頭部上；(II)一影像顯示系統，其由該框架支撐且包括至少一發光表面；(III)一自由空間、超寬角度、非繞射且反射光學表面，其由該框架支撐，該反射光學表面係一連續表面且被配置以會聚朝向該標稱使用者眼睛之光線；及(IV)一菲涅耳透鏡系統，其由該框架支撐，該菲涅耳透鏡系統被配置以接受直接由該影像顯示系統所發出之光線而無任何插入之光學元件在該菲涅耳透鏡系統與該影像顯示系統之間並以朝向該自由空間、超寬角度、反射光學表面之方向折射該光線，該菲涅耳透鏡系統定位於介於該反射光學表面與該標稱使用者之間之光線路徑之外；且其中該自由空間、超寬角度、反射光學表面接受直接來自該菲涅耳透鏡系統之菲涅耳透鏡之光線而無插入之光學元件在該菲涅耳透鏡與該反射光學表面之間之光線路徑上，其中該反射光學表面與該菲涅耳透鏡系統產生 該至少一發光表面之空間上分離之部分的空間上分離之虛擬影像，該等空間上分離之虛擬影像中之至少一者與該等空間上分離之虛擬影像中之至少一其他者在角度上分離至少100度，該角度分離係自該標稱使用者之眼睛之一旋轉中心來量測。
16. 如請求項15之頭戴式顯示裝置，其中該等空間上分離之虛擬影像中之至少一者與該等空間上分離之虛擬影像中之至少一其他者在角度上分離至少150度，且其中該角度分離至多至一凝視方向之最寬視野。
17. 如請求項15之頭戴式顯示裝置，其中該等空間上分離之虛擬影像中之至少一者與該等空間上分離之虛擬影像中之至少一其他者在角度上分離至少200度，且其中該角度分離至多至一凝視方向之最寬視野。
18. 如請求項15之頭戴式顯示裝置，其中該自由空間、超寬角度、反射光學表面為半透明的。
19. 如請求項15之頭戴式顯示裝置，其中該菲涅耳透鏡系統被配置以至少部分地使自該影像顯示器件之發光表面發射之光準直。
20. 如請求項15之頭戴式顯示裝置，其中該自由空間、超寬角度、反射光學表面經組態以部分地使自該影像顯示器件之發光表面發射之光準直。
21. 如請求項15之頭戴式顯示裝置，其中該菲涅耳透鏡系統包括至少一彎曲菲涅耳透鏡元件朝向該自由空間、超寬角度、反射光學表面凹入。
22. 如請求項15之頭戴式顯示裝置，其中該菲涅耳透鏡系統包含呈一堆疊組態之複數個菲涅耳透鏡元件。
23. 如請求項15之頭戴式顯示裝置，其中該菲涅耳透鏡系統包含具有複數個琢面之至少一菲涅耳透鏡元件，該等琢面藉由邊緣相互分離，其中該等邊緣中之至少一些沿著徑向線鋪置，該等徑向線(i)穿過該標稱使用者之眼睛之一旋轉中心，或(ii)穿過該標稱使用者之自然晶體之中心，或(iii)與該標稱使用者之角膜之表面正交。
24. 一種頭戴式顯示裝置，其包含：(I)一框架，其經調適以安裝於一標稱使用者之頭部上；(II)一影像顯示系統，其由該框架支撐；(III)一非繞射且連續之反射表面，其由該框架支撐；及(IV)一菲涅耳透鏡系統，其由該框架支撐，該菲涅耳透鏡系統被配置以接受直接由該影像顯示系統所發出之光線而無任何插入之光學元件在該菲涅耳透鏡系統與該反射光學表面之間，並以朝向該反射表面折射該影像顯示系統發射之光線，該菲涅耳透鏡系統定位於介於該反射光學表面與該標稱使用者之間之光線路徑之外。
25. 如請求項24之頭戴式顯示裝置，其中該反射表面及該菲涅耳透鏡系統向該標稱使用者提供至少100°之一視野，至多至一凝視方向之最寬視野。
26. 如請求項24之頭戴式顯示裝置，其中該反射表面為半透 明的。
27. 如請求項24之頭戴式顯示裝置，其中該菲涅耳透鏡系統被配置以至少部分地使自該影像顯示系統發射之光準直。
28. 如請求項24之頭戴式顯示裝置，其中該反射表面經組態以部分地使自該影像顯示系統發射之光準直。
29. 如請求項24之頭戴式顯示裝置，其中該至少一彎曲菲涅耳透鏡元件朝向該反射表面凹入。
30. 如請求項24之頭戴式顯示裝置，其中該彎曲菲涅耳透鏡元件包含藉由邊緣相互分離之複數個琢面，其中，該等邊緣中之至少一些沿著徑向線鋪置，該等徑向線(i)穿過該標稱使用者之眼睛之一旋轉中心，或(ii)穿過該標稱使用者之自然晶體之中心，或(iii)與該標稱使用者之眼角膜之表面正交。
31. 一種頭戴式顯示裝置，其包含：(I)一框架，其經調適以安裝於一標稱使用者之頭部上；(II)一影像顯示系統，其由該框架支撐；及(III)一菲涅耳透鏡系統，其由該框架支撐；其中：在使用期間，該菲涅耳透鏡系統位於該影像顯示系統與該標稱使用者之眼睛之間；且該菲涅耳透鏡系統包含具有複數個琢面之至少一菲涅耳透鏡元件，該等琢面藉由邊緣相互分離，其中， 該等邊緣中之至少一些沿著徑向線鋪置，該等徑向線(i)穿過該標稱使用者之眼睛之一旋轉中心，或(ii)穿過該標稱使用者之自然晶體之中心，或(iii)與該標稱使用者之眼角膜之表面正交。
32. 如請求項31之頭戴式顯示裝置，其中該等邊緣中之所有者沿著徑向線鋪置，該等徑向線(i)穿過該標稱使用者之眼睛之一旋轉中心，或(ii)穿過該標稱使用者之自然晶體之該中心，或(iii)與該標稱使用者之角膜之該表面正交。
33. 如請求項31之頭戴式顯示裝置，其中該菲涅耳透鏡系統位於該影像顯示系統與一反射光學表面之間。
34. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中：該等空間上分離之虛擬影像中之至少一其他者在角度上分離至少200度，該角度係自該標稱使用者之眼睛之一旋轉中心測量起，至多至一凝視方向之最寬視野；且該該反射光學表面之至少一點與該反射光學表面之至少一其他點在角度上分離至少200度，該角度係自該標稱使用者之眼睛之一旋轉中心起測量，至多至一凝視方向之最寬視野。
35. 如請求項15之頭戴式顯示裝置，其中該等空間上分離之虛擬影像中之至少一者與該等空間上分離之虛擬影像中之至少一其他者在角度上分離至少200度，該角度係自該標稱使用者之眼睛之一旋轉中心起量測，至多至一凝視方向之最寬視野。
36. 如請求項25之頭戴式顯示裝置，其中該反射表面及該菲涅耳透鏡系統向該標稱使用者提供至少200°之一視野，至多至一凝視方向之最寬視野。
37. 如請求項31之頭戴式顯示裝置，其中該至少二菲涅耳透鏡元件包括彎曲菲涅耳透鏡元件。
38. 一種頭戴式顯示裝置，其包含：(I)一框架，其經調適以安裝於一標稱使用者之頭部上；(II)一影像顯示系統，其由該框架支撐；及(III)一菲涅耳透鏡系統，其由該框架支撐；其中：該菲涅耳透鏡系統包含一堆疊組態之至少二個菲涅耳透鏡元件，通過該菲涅耳透鏡元件，由該影像顯示系統發射之光被雙倍地折射，該菲涅耳透鏡系統被配置以接受直接由該影像顯示系統所發出之光線而無任何插入之光學元件在該菲涅耳透鏡系統與該影像顯示系統之間，並以將該該影像顯示系統發出之光折射朝向該標稱使用者之眼睛。
39. 如請求項38之頭戴式顯示裝置，其中該菲涅耳透鏡系統包含具有複數個琢面之至少一菲涅耳透鏡元件，該等琢面藉由邊緣相互分離，其中，該等邊緣中之至少一些沿著徑向線鋪置，該等徑向線(i)穿過該標稱使用者之眼睛之一旋轉中心，或(ii)穿過該標稱使用者之自然晶體之中心，或(iii)與該標稱使用者之角膜之表面正交。
40. 如請求項39之頭戴式顯示裝置，其中該等邊緣中之所有者沿著徑向線鋪置，該等徑向線(i)穿過該標稱使用者之眼睛之一旋轉中心，或(ii)穿過該標稱使用者之自然晶體之該中心，或(iii)與該標稱使用者之角膜之該表面正交。
41. 如請求項38之頭戴式顯示裝置，其中該菲涅耳透鏡系統位於由在該影像顯示系統與一反射光學表面之間之該該影像顯示系統之一平面垂直延伸之一軸上。
42. 如請求項38之頭戴式顯示裝置，其中該至少二菲涅耳透鏡元件包括彎曲菲涅耳透鏡元件。