[发明专利]宽视场个人显示器

说明书

一种显示设备具有图像生成器，所述图像生成器从表面生成承载图像的光；以及具有与图像生成器间隔开的透镜，并且所述透镜具有相对于图像生成器呈凹形的非球面入射折射表面，以及具有相对于图像生成器呈凹形的非球面反射表面，其中，反射表面的主轴垂直于图像生成器。分束器板被设置在图像生成器与透镜之间的自由空间中，其具有与观察者的视线倾斜的平行的第一表面和第二表面。透镜和分束器板沿着观看者的视线限定了针对承载图像的光的观看者的眼动范围。

本申请依据35U.S.C.§119要求于2016年1月22日提交的系列号为62/286019的美国临时申请、2016年10月11日提交的系列号为62/406674的美国临时申请以及2016年9月20日提交的系列号为62/397138的美国临时申请的优先权权益，本申请以其内容为基础，并通过引用将其全文纳入本文。

技术领域

本公开一般涉及个人显示装置，更具体地，涉及用于具有瞳孔成像系统的宽视场头戴式显示器或其他单视者显示器(single-viewer display)的设备和方法。

背景技术

个人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)作为可用于各个领域的一种有用的可佩戴式个人显示装置的类型，其中应用范围涉及军事、医疗、牙科、工业和游戏演示等等。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，常难以解决与视场及失真、良视距(eye relief)、瞳孔大小以及其他因素相关的光学问题。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供了一种显示设备，其包括：

生成承载图像的光的图像生成器；

透镜，其与图像生成器间隔开，并且具有相对于图像生成器呈凹形的非球面入射折射表面，以及具有相对于图像生成器呈凹形的非球面反射表面，和

分束器板，其设置在图像生成器与透镜之间的自由空间中，并且具有与观看者的视线倾斜的第一表面和第二表面，

其中，透镜和分束器板沿着观看者的视线限定了对于承载图像的光来说的观看者的眼动范围(eye box)。

根据一些实施方式，图像生成器从平坦表面，例如从平坦的显示源生成承载图像的光。根据一些实施方式，分束器板具有基本上彼此平行的第一表面和第二表面。根据至少一些实施方式，透镜的反射表面的主轴垂直于图像生成器的平坦表面。

根据本公开的一个方面，提供了一种显示设备，其包括：

图像生成器，其从平坦表面生成承载图像的光的平场；

透镜，其与图像生成器间隔开，并且具有相对于图像生成器呈凹形的非球面入射折射表面，以及具有相对于图像生成器呈凹形的非球面反射表面，其中，反射表面的主轴垂直于图像生成器；和

分束器板，其设置在图像生成器与透镜之间的自由空间中，并且具有与观看者的视线倾斜的平行的第一和第二表面，

其中，透镜和分束器板沿着观看者的视线限定了对于承载图像的光来说的观看者的眼动范围。

本文所述的显示设备设计以比其他设计更低的成本使得视场增大，像差减少，以及具有大的瞳孔大小，从而提供了易于制造且本质上适合于人类视觉系统的个人显示装置设计。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。