[发明专利]人体工程学头戴式显示设备和光学系统

摘要

本发明涉及人体工程学头戴式显示设备和光学系统。本发明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。

主权项

1.一种自由形状波导棱镜，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：/na.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；/nb.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；/nc.物理边缘表面(120)，其包含使来自图像显示单元的光进入所述波导的折射表面；/nd.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；/ne.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/nf.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；/ng.第一参考表面(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表面之外，通过Y