[发明专利]具有非瞳孔成形光路的头戴式显示器

说明书

一种头戴式显示装置，包括结构框架，该结构框架通常沿着X轴和Y轴布置，以沿着Z轴观察时，X轴、Y轴和Z轴相互垂直。微显示器与结构框架耦接，并配置为沿着Z轴远离用户在基本上向前的方向上投射视觉内容。一组的一个或多个具有反射光学表面的光学元件与结构框架耦接，并分别定位在微显示器的前侧上，以将非瞳孔成形光路上的光线束从微显示器反射性地引导至用户的眼睛，以对用户的眼睛提供图像，使得进入用户眼睛的光线束的光线基本上平行，以使当用户的瞳孔处于不同位置时图像对于用户都是可见的。

技术领域

本发明涉及一种具有非瞳孔成形光路的头戴式显示器。

背景技术

头戴式显示器(HMD)装置用于显示和观看来自视觉显示源的视觉内容。HMD装置配置为穿戴在用户的头部上。HMD装置通常具有(1)单个位于用户的一只眼睛前面的小型显示镜片(单眼HMD)，或(2)两个小型显示镜片，每个均位于用户的两只眼睛中的一只眼睛的前面(双眼HMD)，用于使单个用户观看较宽范围的视觉显示内容。双眼HMD允许用户可能可以观看三维视觉内容。目前在当今的军用、商业和消费者市场上发现的HMD装置主要是护目镜(goggles)/目镜(eyeglasses)类型的装置，其以一对护目镜的方式穿戴或穿戴目镜，或者其是附接至穿戴在用户头部上的头盔的头盔式安装的装置。另外，目前在当今的市场上发现的HMD装置主要依赖于三种不同的技术，因此通常分为三个不同的类别：折射型；衍射型；和激光显示器。

目前市场上发现的第一种类型的HMD装置是折射型HMD。折射型HMD使用折射的光学物理原理，以将来自视觉显示源的视觉内容的投影传递至用户的眼睛。折射型HMD是通过将来自显示源的视觉内容的投影通过透光介质(通常是透明塑料，例如丙烯酸塑料)传递来工作内容的，以对用户的眼睛产生最终合成的且通常放大的图像。透光介质本质上是一个镜片或一连串镜片，当来自视觉源的光波进入和离开透光介质时，所述镜片弯转并放大该光波，以形成放大的合成图像，与放大镜的操作类似。这是当今市场上大多数HMD使用的主流技术。

虽然折射型HMD可能是HMD市场上使用的主流方法，但是其具有几个缺点。这种折射型HMD的问题在于，由于透光介质通常是位于HMD的光路中的重的塑料的大块，所以此类型的HMD非常重、体积大，且对于用户来说穿戴在他的头部或面部上都很笨重。这限制了穿戴这种HMD的用户的整体舒适性。另外，这种对于用户的庞大配件明显限制了可应用于这种装置的款式。而且，因为折射型HMD的折射镜片通常位于用户的直接视野中，所以，产生给予用户适当的“透过视觉”的折射型HMD，或者，产生能够在看到所投射的视觉内容时，同时清楚地通过投射内容而看到周围环境外部的真实世界(“混合现实”观看)的能力，这变得非常复杂。折射型HMD的另一缺点是，其通常会阻止用户看到除了所投射的视觉内容以外的任何内容，或者严格限制用户的外周视觉，这最终会使用户感到幽闭恐怖。折射型HMD的另一缺点是，对于通常在消费者市场或商业市场发现的那些折射型HMD来说，其具有非常有限的视野(FOV)角度，典型的FOV是大约25度，高档FOV是大约40度。当试图增加通常在消费者市场和商业市场上发现的折射型HMD的FOV使其超过典型的25度的FOV时，该装置的成本和重量会急剧增加，这在两个已经竞争的市场上会是明显的抑制因素。此情况在军用市场上(具有40度和120度之间的FOV的折射型HMD普遍得多)很明显，然而如前所述，其非常重且非常贵。

目前市场上发现的第二种类型的HMD装置是衍射型HMD，或更准确地说，混合折射/衍射型HMD。衍射型HMD使用衍射、衍射光栅和折射的光学物理原理，以将视觉内容的投影从视觉显示源传递至用户的眼睛。通过此类型的HMD，使视觉内容的投影通过透光介质和包含在一个折射透光介质元件内的衍射光栅，对用户的眼睛产生最终合成且通常放大的图像。来自所投射的视觉内容的通过透光介质的光波，最终通过衍射光栅或从衍射光栅反射，该衍射光栅用来对用户提供单个合成图像。这种混合HMD系统的多个缺点包括笨重、需要高功率光源，以及视野有限。这些都限制了其对军用和工业应用的用途，以及其对消费者应用的吸引力。