[发明专利]宽视场头戴式显示器

说明书

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。

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。