人体工程学头戴式显示设备和光学系统技术方案

本发明专利技术涉及人体工程学头戴式显示设备和光学系统。本发明专利技术设计一种具有眼镜外观的人体工程学光学透视头戴显示设备。所述透视头戴显示设备由用于观察虚拟显示图像的透明自由波导棱镜、当与所述棱镜结合使用时，用于正确观察真实世界场景的透视补偿透镜，以及用于提供显示内容的微型图像显示单元组成。包含多个自由折射和反射表面的所述自由波导将所述微型显示单元产生的光线导入用户瞳孔并允许用户观察放大的显示内容图像。包含多个自由折射表面的透视补偿透镜允许通过组合的波导和透镜正确地观察周围环境。所述波导棱镜和所述透视补偿透镜被正确地设计为在人体工程学上适合人的头部，从而构建出轻型、紧凑的包覆型透视显示系统设计。

Human engineering, head mounted display device and optical system

The present invention relates to human engineering, head mounted display device and optical system. The present invention designs a human engineering optical perspective head display device having a spectacle appearance. The display device by wearing perspective to observe the virtual display transparent waveguide prism, the use of free image when combined with the prism, lens for compensation perspective correct observation of real world scenes, and for providing micro image to display the contents of the display unit. The free waveguide comprising a plurality of free refraction and reflection surfaces leads the light generated by the micro display unit into the user pupil and allows the user to observe the enlarged display content image. A perspective compensated lens comprising a plurality of free refracting surfaces allows the correct observation of the surrounding environment by a combination of waveguides and lenses. The waveguide prism and the perspective compensation lens are properly designed to be suitable for human head in human engineering, thereby constructing a light and compact coating type perspective display system design.

【技术实现步骤摘要】
人体工程学头戴式显示设备和光学系统本申请是申请日为2011年12月22日、申请号为201180068447.7、专利技术名称为“人体工程学头戴式显示设备和光学系统”的申请的分案申请。交叉引用本申请要求在2010年12月24日提交的序列号为61/427,162的美国临时申请的优先权，该申请的全文通过全部引用并入于此。
本专利技术一般地涉及光学透视头戴式显示(OST-HMD)设备。更具体地说，本专利技术涉及符合人体工程学设计的自由形状(freeform)光学系统，该系统在具有眼镜形状外观和宽广透视视场(FOV)的光学透视HMD中用作光学观察设备。
技术介绍
长期的应用证明头戴式显示器(HMD)对于跨科学可视化、医学和军事训练、工程设计和原型设计、远程操作和远程呈现、以及个人娱乐系统等领域的许多应用而言极为重要。在混合和增强现实系统中，光学透视HMD是将计算机生成的虚拟场景与真实世界场景视图(view)进行组合的基本方式之一。一般而言，通过光学组合器，OST-HMD在光学上将计算机生成的图像覆盖在真实世界视图上，同时保持直接、品质降级最小的真实世界视图。OST-HMD在创建移动显示解决方案方面具有巨大潜力，移动显示解决方案可提供比诸如智能手机和PDA之类的其它流行移动平台更吸引人的图像质量和屏幕大小。另一方面，尽管HMD设计在过去十几年内取得了非常重要的发展，但是始终存在许多技术与可用性方面的障碍，从而阻止这项技术被要求较高的应用和日常使用广泛接受。HMD的其中一个主要障碍是具有笨拙的头盔形式因素，这样阻止了许多要求较高的应用和新兴的应用接收此技术。所应用的现有光学设计方法几乎没有一种能够创建可用作眼镜式近眼显示器的真正便携、紧凑和轻型的非侵入式HMD设计。太大的重量导致疲劳和不适，并被视为基于HMD应用的主要障碍。此外，提供阻挡最小、品质降级程度最低的宽广透视FOV的能力对于执行日常工作而言至关重要。近几年来，自由形状表面已被引入HMD系统设计[编号为5,699,194、5,701,202、5,706,136的美国专利。D.Cheng,etal.,“Designofanopticalsee-throughhead-mounteddisplaywithlowf-numberandlargefieldofviewusingafreeformprism”,AppliedOptics,48(14),2009]，旨在减小系统重量并创建轻型HMD。但是在当今的市场上，仍然没有能够同时满足人体工程学需求和性能需求的解决方案。我们的工作目标在于开发具有眼镜形式因素和宽广透视FOV的解决方案，同时保持卓越的性能。
技术实现思路
本专利技术涉及一种具有眼镜外观和自由形状光学系统的人体工程学光学透视头戴式显示(OST-HMD)设备，所述自由形状光学系统在此类显示设备中用作光学观察设备。一般而言，OST-HMD中的光学观察设备由用于观察显示的虚拟显示图像的光路和用于直接观察真实世界场景的透视路径组成。在本专利技术中，所述虚拟图像路径包括用于提供显示内容的微型图像显示单元和用户观察放大的显示内容图像时所用的符合人体工程学形状设计的显示观察光学器件。所述显示观察光学器件包括包含多个自由形状折射和反射表面的光导设备(下文中称为自由形状波导棱镜)。所述显示观察光学器件还可以包括额外的耦合光学器件以准确地将来自所述图像显示设备的光入射到所述波导棱镜。所述自由形状表面和所述耦合光学器件的位置和形状被设计为使得观察者能够看到清晰、放大的显示内容图像。所述头戴式显示设备的透视路径由波导棱镜和附着在所述棱镜外表面的自由形状透视补偿透镜组成。包含多个自由形状折射表面的透视补偿透镜允许准确地观察跨极宽广透视视场的周围环境。所述波导棱镜和所述透视补偿透镜被适当地设计为在人体工程学上适合人的头部的人体工程学因素，从而实现具有眼镜形状外观、宽广透视视场、以及卓越光学性能的轻型、紧凑的包覆型(wrap-around)透视显示系统设计。在一方面，本专利技术提供各种在人体工程学头戴式显示设备中用作光学观察设备的自由形状光学系统的实施例。本专利技术中的自由形状光学系统被优化以提供具有符合人体工程学形状设计的观察光学器件，所述观察光学器件适合人的头部的人体工程学因素，从而允许它们罩住人脸并提供眼镜式外观替代现有技术中的HMD设计中的头盔式外观。本专利技术还提供透视功能，允许用户通过观察光学器件观察周围环境以及图像显示设备上的显示内容。本专利技术提供透视FOV，该FOV比虚拟视图的FOV大得多。在本专利技术中，OST-HMD设备的虚拟图像路径包括用于提供显示内容的微型图像显示单元和和用户观察放大的显示内容图像时所用的符合人体工程学形状设计的显示观察光学器件。所述显示观察光学器件包括包含多个自由形状折射和反射表面的自由形状波导棱镜，并且还可以包括额外的耦合光学器件。所述波导棱镜充当放大微型图像显示设备上的图像的近眼观察光学器件。从所述图像显示单元射出的光线通过所述棱镜的第一折射表面射入所述波导棱镜。所述光线可以从所述显示设备直接或通过一组耦合透镜入射到所述棱镜。入射的光线经多次反射(通常为3次或更多次)通过所述波导棱镜进行传播，然后经所述棱镜的所述第二折射表面耦合出所述棱镜。出射的光线继续传播并到达所述系统的出射光瞳，其中用户可以利用他/她的眼睛观察虚拟内容。当光通过所述波导棱镜传播时，如果满足反射表面上的全内反射(TIR)条件，则通过反射导致的光损失最小。因此，所有反射最好满足TIR条件，但不是严格要求。但是，另外高度希望在某些反射表面上妥协TIR条件来实现薄波导棱镜设计。对于位于设备的指定透视FOV内的不满足TIR条件的反射表面，在这些表面上施加半透明涂层(coating)以便确保来自微型显示单元的足够光线到达出射光瞳并产生明亮的图像，同时便利光学透视功能。对于位于所述设备的透视FOV之外的反射表面，如果不满足TIR条件，则可以在所述表面上施加高反射镜面涂层以最小化光损失。在本专利技术中，所述微型图像显示单元可以是可充当图像源的任何类型的自发光或发光像素阵列，其包括但不限于硅基液晶(LCoS)显示设备、液晶显示(LCD)面板、有机发光显示器(OLED)、铁电性硅基液晶(FLCoS)设备、数字微镜设备(DMD)，或根据上述或其它类型的微型显示设备构建的微型投射仪。在本专利技术中，所述头戴式显示设备的透视路径由所述自由形状波导棱镜和自由形状透视补偿透镜组成。所述补偿透镜附着在所述波导棱镜的所述物理外表面上，以便抵消所述棱镜造成的光线偏移和失真并且保持清晰的真实世界场景透视视图。包含多个(通常2个或更多个)自由形状折射表面的所述补偿透镜允许准确地观察跨极大视场的周围环境。当所述透镜与所述棱镜组合时，所述补偿透镜的表面被优化以最小化引入到来自真实世界场景的光线的偏移和失真，如果所述波导棱镜的附着表面上的反射在虚拟图像显示路径中满足TIR条件，则有必要在所述波导棱镜与所述补偿透镜之间保持小气隙。在本专利技术中，使用多次反射延长光路长度，以使所述波导棱镜的宽度与普通人头部的宽度密切匹配。长光路允许便利将所述波导棱镜设计为符合人体工程学形状，同时允许保持大透视FOV。所述棱镜的长光路还允许将所述图像显示单元移到显示架侧，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自由形状波导，包括至少三个物理表面，每个物理表面包含设置于其上的多个反射和折射自由形状光学表面，其中由所述物理表面限定的内部空间由折射率(n)大于1的折射介质填充，其中所述多个反射和折射表面折叠和延长光路长度，以使所述波导能够适合眼镜形状，这使得图像显示单元能被置于头部的侧面，并实现相对于正前方在太阳穴方向最高达90°、相对于正前方在鼻子方向最高达60°、以及相对于正前方在上方和下方最高达60°的宽广透视视场，其中在适合眼镜形状因素和最大厚度的限制条件下设计其内表面和外表面，以使所述多个自由形状反射和折射光学表面在不产生图像失真的情况下将光导向用户的瞳孔，所述物理和光学表面包括：a.朝着所述用户瞳孔设置的物理内表面(115)，其中所述物理内表面被限制为接近眼镜形状因素的预指定曲面，其中所述内表面被配置为以最小失真度将图像反射到所述用户的眼球；b.朝着外部场景设置的物理外表面(125)，其中所述物理外表面被配置为以最小失真度将图像反射到所述用户的瞳孔，其中所述物理外表面在所有点上位于所述内表面的最大距离内，其中所述物理外表面包含至少一个折射表面以允许来自所述外部场景的光穿过所述波导并到达所述用户的眼球；c.物理边缘表面(120)，其可选地包含使来自图像显示单元的光进入所述波导的折射表面；d.被设置于所述物理表面之一上的折射入射表面(130)，其允许来自图像显示单元的光进入所述波导；e.被设置于所述物理内表面上、接近所述用户的瞳孔且允许光离开所述波导的折射出射表面(135)；以及f.被设置于所述物理内表面和外表面上的为三个或更多个的多个自由形状反射表面，其中通过满足全内反射条件，或者通过在所述波导的所述表面上施加半透明的部分反射涂层来产生每次反射；其中这些反射被优化以最小失真度沿着所述波导的内部引导所述光，其中多次反射延长所述光路长度，以使所述波导实现宽广透视视场、以及适合与人的头部相称的尺寸；因此，来自图像显示单元(105)的光(140)通过所述折射入射表面(130)进入所述波导；g.第一参考曲面(230)，其接近普通人头部的形状，其中所述内表面被限制为位于所述第一参考曲面之外，通过Yref1、Zref1以及YHIPD定义所述第一参考曲面，其中Yref1是所述头部的中线与所述参考表面的中心之间在Y方向上的距离，Zref1是所述瞳孔与所述参考表面的中心之间在Z方向上的距离，以及YHIPD是从所述瞳孔到所述头部的中点在Y方向上的距离；h.第二参考表面(240)，其限制所述波导从用户的脸部向外投射的程度，其中所述内表面被限制为位于所述第二参考表面之内；i.所述物理内表面(115)与物理外表面(225)之间的最大距离；j.所述波导在水平维度上从瞳孔到太阳穴的宽度(244)的上下限，以使所述波导到达所述头部的侧面并且足够宽以产生通过其上边界(290a)设定的指定透视视场；k.所述波导在所述水平维度上从瞳孔到太阳穴的宽度(246)的上下限，以使所述波导足够宽以产生通过其下边界(290b)设定的指定透视视场，但是不与鼻梁抵触；l.在垂直维度上所述波导从瞳孔开始的高度的下限，以使所述波导足够宽以产生通过其上边界(290c)或下边界(290d)设定的指定透视视场；m.表面分段(215a)，其中所述内表面被限制为适合眼镜形状因素，其中所述表面分段的宽度以投射在所述内表面上的所述指定透视视场在水平方向上的上边界(290a)和下边界(290b)为界，并且所述表面分段的高度以投射在所述内表面上的所述指定透视视场在垂直方向上的上边界(290c)和下边界(290d)为界，其中所述表面分段的局部曲率半径以取决于眼镜形状因素的范围为界；然后，光(140)沿着所述波导循路径(145)而行，该路径包括在从所述折射入射表面(130)到所述折射出射表面(135)的所述多个反射表面上的所述多次反射，其中通过满足全内反射条件，或者通过在所述表面上施加的半透明涂层来产生每次反射；然后，光(140)穿过所述折射出射表面(135)，超出该表面，所述用户利用所述瞳孔(150)观察所述图像；然后，来自所述外部场景的光(198)在到达所述瞳孔(150)之前，通过所述波导的所述物理外表面(125)以及所述波导的所述物理内表面(115)进行折射，其中通过所述波导的所述透视视场在太阳穴方向上最高达90°，在鼻子方向上最高达60°，在正前方的上方和下方最高达60°，因此，所述波导的内表面和外表面的形状在这些限制内被优化以最小化从所述波导的入射点到所述波导的出射点的光学失真。...

【技术特征摘要】
2010.12.24 US 61/427,1621.一种自由形状波导，包括至少三个物理表面，每个物理表面包含设置于其上的多个反射和折射自由形状光学表面，其中由所述物理表面限定的内部空间由折射率(n)大于1的折射介质填充，其中所述多个反射和折射表面折叠和延长光路长度，以使所述波导能够适合眼镜形状，这使得图像显示单元能被置于头部的侧面，并实现相对于正前方在太阳穴方向最高达90°、相对于正前方在鼻子方向最高达60°、以及相对于正前方在上方和下方最高达60°的宽广透视视场，其中在适合眼镜形状因素和最大厚度的限制条件下设计其内表面和外表面，以使所述多个自由形状反射和折射光学表面在不产生图像失真的情况下将光导向用户的瞳孔，所述物理和光学表面包括：a.朝着所述用户瞳孔设置的物理内表面(115)，其中所述物理内表面被限制为接近眼镜形状因素的预指定曲面，其中所述内表面被配置为以最小失真度将图像反射到所述用户的眼球；b.朝着外部场景设置的物理外表面(125)，其中所述物理外表面被配置为以最小失真度将图像反射到所述用户的瞳孔，其中所述物理外表面在所有点上位于所述内表面的最大距离内，其中所述物理外表面包含至少一个折射表面以允许来自所述外部场景的光穿过所述波导并到达所述用户的眼球；c.物理边缘表面(120)，其可选地包含使来自图像显示单元的光进入所述波导的折射表面；d.被设置于所述物理表面之一上的折射入射表面(130)，其允许来自图像显示单元的光进入所述波导；e.被设置于所述物理内表面上、接近所述用户的瞳孔且允许光离开所述波导的折射出射表面(135)；以及f.被设置于所述物理内表面和外表面上的为三个或更多个的多个自由形状反射表面，其中通过满足全内反射条件，或者通过在所述波导的所述表面上施加半透明的部分反射涂层来产生每次反射；其中这些反射被优化以最小失真度沿着所述波导的内部引导所述光，其中多次反射延长所述光路长度，以使所述波导实现宽广透视视场、以及适合与人的头部相称的尺寸；因此，来自图像显示单元(105)的光(140)通过所述折射入射表面(130)进入所述波导；g.第一参考曲面(230)，其接近普通人头部的形状，其中所述内表面被限制为位于所述第一参考曲面之外，通过Yref1、Zref1以及YHIPD定义所述第一参考曲面，其中Yref1是所述头部的中线与所述参考表面的中心之间在Y方向上的距离，Zref1是所述瞳孔与所述参考表面的中心之间在Z方向上的距离，以及YHIPD是从所述瞳孔到所述头部的中点在Y方向上的距离；h.第二参考表面(240)，其限制所述波导从用户的脸部向外投射的程度，其中所述内表面被限制为位于所述第二参考表面之内；i.所述物理内表面(115)与物理外表面(225)之间的最大距离；j.所述波导在水平维度上从瞳孔到太阳穴的宽度(244)的上下限，以使所述波导到达所述头部的侧面并且足够宽以产生通过其...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·高，H·华，Y·林，
申请(专利权)人：奇跃公司，
类型：发明
国别省市：美国,US