[发明专利]自由形式棱镜和具有增加视场的头戴式显示器

权利要求书

1.一种自由形式波导棱镜，包括：

第一自由形式光学表面，其被设置成接收光并且将光折射到所述棱镜的主体中；

第二自由形式光学表面，其被设置成接收来自所述第一自由形式光学表面的折射光，并且将所述光反射到所述棱镜的主体中，以在所述棱镜的主体内提供中间图像；

复合自由形式光学表面，包括：

上部自由形式光学表面，其连接到所述第二自由形式光学表面，并且被布置成使得来自所述第一自由形式光学表面的光不入射在其上；以及

下部自由形式光学表面，其连接到所述上部自由形式光学表面，其中所述上部自由形式光学表面被设置在所述下部自由形式光学表面与第二自由形式光学表面之间。

2.根据权利要求1所述的自由形式波导棱镜，包括第三自由形式光学表面，其被设置成接收来自所述中间图像的光，并且将所述光全内反射到所述棱镜的主体中。

3.根据权利要求2所述的自由形式波导棱镜，其中所述下部自由形式光学表面被设置成接收来自所述第三自由形式光学表面的反射光，并且以一角度将所述光往回反射到所述第三自由形式表面，所述角度允许所述光离开所述棱镜。

4.根据权利要求2或3所述的自由形式波导棱镜，其中所述上部自由形式光学表面被设置成使得来自所述第三自由形式光学表面的光不入射在其上。

5.根据前述权利要求中任一项所述的自由形式波导棱镜，其中所述上部和下部自由形式光学表面的坡度在这样的表面相交的位置处可以是相等的。

6.根据前述权利要求中任一项所述的自由形式波导棱镜，其中所述第二自由形式光学表面被配置成将光全内反射到所述棱镜的主体中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的自由形式波导棱镜，其中所述第三自由形式光学表面被配置成将来自所述第二自由形式光学表面的光全内反射到所述棱镜的主体中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的自由形式波导棱镜，其中所述下部自由形式光学表面被镜面化。

9.根据前述权利要求中任一项所述的自由形式波导棱镜，其中所述下部自由形式光学表面包括分束涂层。

10.根据前述权利要求中任一项所述的自由形式波导棱镜，其中对于正交的X-Y-Z坐标系，Z轴沿着观看方向，Y轴平行于与用户的瞳孔间方向对齐的水平方向，并且X轴在与用户的头部取向对齐的垂直方向上。

11.根据权利要求7所述的自由形式波导棱镜，其中所述自由形式波导棱镜关于水平（Y-Z）平面对称。

12.根据权利要求7或8所述的自由形式波导棱镜，其中所述自由形式光学表面沿着水平的Y轴偏心并且围绕垂直的X轴旋转。

13.根据前述权利要求中任一项所述的自由形式波导棱镜，其中所述自由形式光学表面中的任一个的形状由下式给出：

其中z是沿着局部x、y、z坐标系的z轴测量的自由形式表面的下陷度，c是顶点曲率（CUY），r是径向距离，k是圆锥常数，并且C是x^myⁿ的系数。