人机工程学的头戴显示设备和光学系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本申请通常涉及光学透视头戴显示器(OST-HMD)设备，更具体地，涉及在具有眼镜形状外观和宽透视视场(FOV)的光学透视HMD中用作光学观察设备的符合人机工程学设计的自由形态光学系统。
【背景技术】
[0002]头戴式显示器(HMD)已经被长时间证明了对于许多应用是非常有价值的，横跨了科学可视化、医学和军事训练、工程设计和样机研宄、远程操控和远程呈现、以及个人娱乐系统的领域。在混合与增强现实系统中，光学透视HMD是将计算机生成的虚拟场景和真实世界场景视图组合的基本方法之一。典型地，通过光学组合器，在保持直接的、最低程度退化的真实世界视图的同时，OST-HMD将计算机生成的图像光学地叠加(overlay)在真实世界视图上。OST-HMD对于创造移动显示解决方案具有很大的潜能，该移动显示解决方案提供比其他大众的移动平台(例如智能电话和PDA)更具吸引力的图像质量和屏幕尺寸。
[0003]另一方面，尽管过去的几十年在HMD设计上取得了重大进步，但是还存在许多技术上和使用上的壁皇，这些壁皇阻碍该技术被许多要求高的应用和日常使用所广泛接受。对于HMD的一个主要壁皇是笨重的、类头盔形式的因素，其阻碍许多要求高的和新兴的应用对该技术的接受。很少现有的已经应用的光学设计方法能够创造真正便携的、紧凑的、和重量轻的HMD设计，也即，无妨碍的并能够被认为是眼镜形式的近眼显示器。较大的重量促使疲劳和不舒服，并且被认为是基于HMD应用的主要壁皇。此外，提供宽的、最低限度阻塞或退化的穿透视场的能力对于执行日常工作是必要的。近几年，自由形态表面已经被引入到HMD系统设计，例如，已经在美国专利号为5，699，194,5, 701，202,5, 706，136和D.Cheng等的〃Design of an optical see-through head-mounted display with a low f-numberand large field of view using a freeform prism, "Applied Optics, 48(14)，2009，中提出的设计，目的在于减少系统重量并创造重量轻的HMD。然而，在当今的市场上，依然没有同时满足人机工程学需要和性能需要的有效解决方案。本申请中描述的方法在保持优越性能的同时，提供具有眼镜形状因数和宽透视FOV的解决方案。
【发明内容】
[0004]本申请关注具有眼镜形状外观的人机工程学的透视头戴显示器(OST-HMD)设备和在这种显示设备中用作光学观察设备的自由形态光学系统。OST-HMD中的所述光学观察设备典型地提供用于观察显示的虚拟图像的光路和用于直接观察真实世界场景的透视路径。所述虚拟图像路径可以包括微图像显示单元和人机工程学成形的显示观察光学部件，所述微图像显示单元用于提供显示内容，用户通过所述显示观察光学部件观察所述显示内容的放大图像。所述显示观察光学部件包括包含多个自由形态折射和反射表面的光导设备(在下文中称作自由形态波导棱镜)。所述显示观察光学器件还可以包括附加的耦合光学器件，以将来自于所述图像显示设备的光适当地注射到所述波导棱镜。所述自由形态表面和耦合的光学部件的位置和形状是有大小的、有维度的、被定位的和/或取向的以使观察者能够看到所述显示内容的清晰的、放大的图像。所述头戴显示设备的所述透视路径由所述波导棱镜和自由形态穿透补偿透镜来提供，所述自由形态穿透补偿透镜被定位在(例如，附着到)所述棱镜的外表面外部。所述穿透补偿透镜，包含多个自由形态折射表面，并使能跨越非常宽的透视视场的对周围环境的适当观察。所述波导棱镜和所述穿透补偿透镜是有大小的、有维度的、被定位的和/或取向的，以人机工程学地匹配人类头部的人机工程学因素，并使得能够形成重量轻、紧凑的透视显示系统的环绕设计，所述透视显示系统具有眼镜形状的外观、宽的透视视场、和优越的光学性能。
[0005]这里描述在人机工程学的头戴式显示设备中用作光学观察设备的自由形态光学系统的各种实施例。这里描述的至少一些所述自由形态光学系统被优化，以提供人机工程学成形的观察光学器件，该观察光学器件适合人类头部的人机工程学因素，并允许它们围绕人脸环绕并呈现类眼镜的外观而不是在现有的HMD设计中的像头盔的外观。各种实施例还提供透视能力，允许用户通过所述观察光学部件观察周围环境和在图像显示设备上的显示内容。至少一些实施例提供比虚拟视图的FOV大得多的透视F0V。
[0006]所述OST-HMD设备的所述虚拟图像路径可以包括微图像显示单元和人机工程学成形的显示观察光学部件，所述微图像显示单元用于提供显示内容，用户通过所述显示观察光学器件观察所述显示内容的放大图像。所述显示观察光学部件可以包括包含或具有多个自由形态折射和反射表面的自由形态波导棱镜。所述显示观察光学部件还可以包括附加的耦合光学部件。所述波导棱镜充当用于放大微图像显示设备上的图像的近眼观察光学部件。从所述图像显示单元发出的光线经由所述棱镜的第一折射表面被注射到所述波导棱镜中。所述光线可以直接从所述显示设备或者通过一个或多个耦合棱镜被注射到所述棱镜中。所述被注射的光线经由多次反射(典型地3次或更多次)而通过所述波导棱镜传播，然后经由所述棱镜的第二折射表面被耦合出所述棱镜。所述出射的光线继续传播并到达系统的出射光瞳。所述出射光瞳可以为用户放置她/他的眼以观察所述虚拟内容的位置。
[0007]当光线通过所述波导棱镜传播同时在所述波导棱镜的反射表面满足全内反射(TIR，Total Internal Reflect1n)条件时，通过反射的光损失是最小的。因此，期望，但不严格要求，所有的反射都满足所述TIR条件。然而，实现所述波导棱镜的薄的设计也是希望的。这种薄的设计可能在一些反射表面折衷所述TIR条件。
[0008]对于位于所述设备的指定透视FOV内部的、不满足所述TIR条件的反射表面，在这些表面上施加半透明涂层。所述半透明涂层确保来自所述微显示单元的足够的光到达所述出射光瞳以产生明亮图像，同时利于所述光透视能力。对于位于所述设备的所述透视FOV外部的、不满足所述TIR条件的反射表面，在这些表面上施加高反射镜涂层以最小化光损耗。
[0009]所述微图像显示单元可以为能够充当图像源的任意类型的自发光或被照明的像素阵列，包括但不限于，硅上液晶(LCoS)显示装置、液晶显示(LCD)面板、有机发光显示器(OLED)、硅上铁电液晶(FLCoS)装置、数字镜装置(DMD)、或基于以上提及的这些或其他类型微显示设备构建的微投影仪。
[0010]在至少一些实施例中，所述头戴式显示设备的所述透视路径至少部分地由所述自由形态波导棱镜和自由形态穿透补偿透镜形成。所述补偿透镜被定位在(例如，附着到)所述波导棱镜的物理外表面外部，以抵消或调节由所述波导棱镜造成的光线漂移和/或变形，并保持真实世界场景的清晰的透视视图。所述补偿透镜可以包括多个(典型地2个或更多)自由形态折射表面，使能越非常宽的视场的对周围环境的适当观察跨。当所述透镜与所述波导棱镜组合时，所述补偿透镜的表面可以被优化，以使来自于真实世界场景的光线的漂移和/或变形最小化。如果在虚拟图像显示路径中在所述波导棱镜的附着的表面上的反射满足TIR条件，那么在所述波导棱镜和所述补偿透镜之间保持小的间隙(例如，空气隙)是必要的。
[0011]各种实施例利用多次反射来扩展所述光路长度，以使所述波导棱镜的宽度紧密地与一般人类头部的宽度(例如，瞳孔间距)相匹配。所述长光路利于所述波导棱镜的人机工程学设计，以及保持大的透视FOV。所述棱镜的长光路还允许所述图像显示单元放置在显示框架的一侧，减少所述HMD系统的前面的重量并提高所述系统的人机工程学匹配。
[0012]此外，整体而言，为了最佳的人机工程学匹配，所述波导棱镜的形状和所述光学观察设备的形状可以被设计成接近人类头部的自然曲线。例如，在一些实施例中所述棱镜的形状被弯曲成接近一对8基础曲线眼镜的曲率。在一些其他的实施例中，所述棱镜的形状近似地遵照一副4基础曲线眼镜的形状因数。而且，所述波导棱镜和所述补偿透镜的整体厚度被有意控制以获取薄的光学或光学部件轮廓(典型地小于30_)。总的来说，所述被有意控制的波导棱镜的形状、长光路，和光学部件的厚度使能光学透视HMD的环绕式设计，所述环绕式设计提供与人类头部的人机工程学匹配和具有吸引力的类眼镜外观。
[0013]至少一些实施例提供非常大的透视视场，典型