專利名稱：用于立體顯示的頭戴式光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用來觀察電子學(xué)方法產(chǎn)生的立體圖像的頭戴式顯示系統(tǒng)，更具體地是涉及一用來配置光學(xué)部件的裝置和方法，以便提供具有很寬視野和大的出射光瞳的頭戴式光學(xué)裝置。
背景技術(shù)：
立體顯示系統(tǒng)的潛在價值在娛樂和仿真領(lǐng)域特別受到廣泛重視?？傮w目標(biāo)是在具體應(yīng)用的限制條件內(nèi)提供可能的最逼真的顯示。逼真的立體顯示是以很多可量化的特點為特征的，這些特點包括寬的視野(水平和垂直的)、清晰的圖像分辨率、和足夠的亮度。
立體成像的一個備選方案由頭戴式顯示器(HMD)提供。護目鏡，眼鏡、類似的觀察鏡在很多方面已被用來提供小型的，重量輕而且價廉的具有立體效果的頭戴式光學(xué)裝置。利用觀察鏡的方法包括從對每只眼睛利用具有不同的偏振濾光片的透鏡到利用使左眼和右眼的可視性交替變化的光閘(shutter)，前者公開在專利，例如，U.S.PatentNo.6,034,717(Dentinger等人)中，后者公開在，例如，U.S.PatentNo.4,021,846(Roese)中。交變的光閘機構(gòu)是一彩色光閘，如公開于U.S.Patent No.5,903,395(Rallison等人)中的那樣，它提供以高頻變化的彩色光閘。特別是在用于接納一大群觀察者時，這種方法可能是經(jīng)濟的。但是，要求利用一分離的外部顯示器，如一顯示屏或CRT就意味著這樣的方法必須具有一大的機座面積，因而不很適合于單個觀察。這樣，可見，對于其中顯示的立體圖像被包含在頭戴式顯示器自身中的觀察鏡配置來說就具有一些優(yōu)點。
在市場上出售有很多的提供立體或非立體成像的HMD和面戴式裝置(FMD)。提供立體成像的HMD的一個例子是來自加州Half Moon Bay的iReality.com，Inc.的Cyber Eye CE 200S。另一個例子是來自弗吉尼亞州Mclean的n-vision，Inc.的寬視野頭戴式顯示器Datavisor80TM。提供非立體成像的HMD是日本東京的Olympus Optical Company的產(chǎn)品Eye-TreckTM。
盡管現(xiàn)今市場上提供的HMD裝置為某些應(yīng)用提供了適當(dāng)?shù)某上?，但還是有改進的余地。例如，逼真的立體成像要求一寬的視野。但是，現(xiàn)行的裝置在這方面卻受到了限制。例如，Cyber Eye CD 200S HMD聲稱在水平方向的視野限于22.5°，在垂直方向限于16.8°。Eye-Treck HMD聲稱水平方向的視野小于40°，垂直方向小于22°。Datavisor 80裝置，雖然聲稱水平視野為120°，但對于大多數(shù)應(yīng)用來說卻是比較大的，而且也太昂貴。市場上提供的裝置的分辨率也是有限制的。因而，盡管對于某些應(yīng)用來說，如計算機的監(jiān)視顯示器，圖像質(zhì)量是可接受的，但現(xiàn)行裝置所達到的性能指標(biāo)對于虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的較寬范圍來說則是不夠的。
HMD制造商的產(chǎn)品說明書(iReality.com，Inc.at www.ireality.Com/hmds.html)稱對于HMD設(shè)計來說，清晰的分辨率和寬視野成像可被認(rèn)為是“相互排斥”的。無疑地，在小巧輕型的HMD中提供清晰分辨率、寬視野成像的困難在光學(xué)實際技術(shù)中是很好理解的，而且傳統(tǒng)的方法僅在獲得逼真立體成像方面作了適度的改進。在光學(xué)設(shè)計技術(shù)中，大家都很明白，HMD設(shè)計提出有很多嚴(yán)格限制，很多的光學(xué)參數(shù)是固定的和不可改變的。在利用傳統(tǒng)的方法解決這種類型的設(shè)計問題時，Eye-Treck HMD的配置使用了自由形狀的，非球面的棱鏡(aspheric prism)來提供一具有緊湊尺寸的光路和最小的像差和圖像畸變。已知非球面的設(shè)計方法具有特殊的價值，因為它們可允許光學(xué)設(shè)計者利用比較傳統(tǒng)的球形結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)多得多的變量來工作。但是非球形設(shè)計可能出現(xiàn)一些與成本、設(shè)計復(fù)雜性，以及設(shè)計方法的總體靈活性有關(guān)的重要缺點。例如，非球面設(shè)計的方法的改進或按比例縮放，在不作相當(dāng)?shù)闹匦略O(shè)計的條件下是不可能實現(xiàn)的。基于非球面部件的HMD的一些例子被公開在下述專利中U.S.Patent No.6,028,709(Takahashi)，它公開了一種使用具有轉(zhuǎn)動非對稱表面的棱鏡的HMD；U.S.Patent No.6,097,354(Takahashi等人)；U.S.Patent No.5,436,765(Togino)，它公開了非球反射鏡的利用；U.S.Patent No.5,959,780(Togino等人)；以及U.S.PatentNo.5,596,433(Konuma)，它公開了使用具有非球形表面的分束器來作HMD部件。
另一方面，球面光器件又給HMD設(shè)計者提出了其它的問題。最值得注意的是，呈現(xiàn)給觀察者的圖像在傳統(tǒng)上是提供在一平表面上。球面光學(xué)就可能要求相當(dāng)?shù)脑O(shè)計來對圖像的像差和畸變進行補償，這種像差和畸變是由于想利用基本上是球形的透鏡來投射一平的圖像所引起的。這種困難可在，例如，上面提及的專利U.S.Patent No.5,903,395(Rallison等人)所公開的設(shè)計中看到，它公開了傳統(tǒng)的透鏡設(shè)計方法來從一平表面投射圖像。但是，同時可以理解，對利用球面光器件來說卻存在著一些優(yōu)點，特別是在實用性、工藝性(manufacturability)、和成本方面更為明顯。另外一些優(yōu)于非球形的方法的地方包括在使用球面光學(xué)時的可縮放性和靈活性。
利用球面光學(xué)的HMD設(shè)計的一個例子是公開于U.S.PatentNo.4,854,688(Hayford et al.)的飛行員頭盔，它是用來沿如附著在飛行員的頭盔裝置上的一非線性路徑傳送一非立體的、二維圖像。在Hayford等人的專利公開的光學(xué)配置中，一球透鏡被用作折疊部件和透鏡來提供一相當(dāng)寬的視野，球透鏡引導(dǎo)一在光學(xué)上無限遠處的準(zhǔn)直的輸出圖像以便飛行員觀察。這能使飛行員觀看從一小的CRT屏上投射的信息而不需改變凝視方向或重新聚焦。盡管該球透鏡對公開于U.S.Patent No.4,854,688的裝置中的固有的寬視野來說可提供某些優(yōu)點，但對于這種設(shè)計來說卻存在著許多缺點。在U.S.Patent No.4,854,688中所公開的裝置的傾斜和偏心的光路就固有地引入了圖像的像差，需要作大量的校正。為了對由反射或部分反射準(zhǔn)直器產(chǎn)生的離軸成像進行補償，就需要一復(fù)雜而昂貴的，相對于光路來說是傾斜而偏心的中繼透鏡組件。在Hayford等人的專利中公開的這種中繼光學(xué)器件，對于這種小型配置所需要的不僅是只增加成本，而且還增大了頭戴式觀察裝置的體積和重量。
在提供一具有寬視野的HMD方案時，形成一大光瞳來成像就具有特別的一些優(yōu)點。但是，用傳統(tǒng)的透鏡設(shè)計方法，由于透鏡設(shè)計必須想法對該光瞳和對該寬視野進行校正，因而形成一大的光瞳就會內(nèi)在地引起一些其它的問題。透鏡系統(tǒng)不應(yīng)僅能校正軸上的像差(on-axisaberration)(主要是球面像差和軸向色差)，而且還應(yīng)能校正離軸像差，包括彗差、像散、場曲率(field curvature)和畸變、以及橫向色差(chromatic lateral aberration)。因而，在提供寬視野的大光瞳時傳統(tǒng)透鏡的設(shè)計方法并不產(chǎn)生用來校正像差的簡單方法。
在利用傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)寬視野時的另一眾所周知的問題是由于余弦四次方定律而出現(xiàn)的照明急劇下降，其中，圖像亮度的下降率與離軸場角的余弦的四次方成比例。這種效應(yīng)可對希望專注體驗的逼真形象造成損害。
對于利用簡單的光學(xué)配置來提供一些性能很好而且內(nèi)在要求部件最少的設(shè)計方法來說，單中心的光學(xué)設(shè)計具有一些優(yōu)點。理論上講，單中心配置提供最佳的視野性能，具有最小的畸變和圖像像差。但是，由于給定了HMD設(shè)計的一些約束條件后，該光路的單中心設(shè)計是困難的，因而未被成功地使用在傳統(tǒng)的HMD設(shè)計的實際中。代之，現(xiàn)行的HMD方法的特征是如U.S.Patent No.4,854,688所述的復(fù)雜的光路,有限的視野,高成本，總的低圖像分辨率。
一些HMD在HMD自身范圍內(nèi)，如在U.S.Patent No.5,506,705(Yamamoto等)所公開的護目鏡內(nèi)，顯示一投射在屏表面的實像。但是，這種類型的設(shè)計常常具有一些內(nèi)在的缺點，這些缺點涉及潛在的眼疲勞，目視線索(visual cues)的適當(dāng)關(guān)聯(lián)，如聚散度(vergence)和適應(yīng)性調(diào)節(jié)(accommodation)，特別是由于任何類型的顯示表面必須很靠近觀察者的眼睛更能產(chǎn)生這些缺點。一般認(rèn)為，在不是給觀察者提供實像而是提供虛像的替代方法中可存在一些優(yōu)點。虛像的目視線索能使觀察者聚焦更自然，并提供一些內(nèi)在的更逼真的觀察條件。
于是，可以看出，需要一種改進的，小型的頭戴式顯示器，利用基本上單中心的光學(xué)設(shè)計，以大光瞳，寬視野和清晰的分辨率提供一虛像。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的在于提供一小型的，重量輕的，而且價格能承受的，具有寬視野和清晰分辨率的頭戴式顯示器。鑒于這個目的，本發(fā)明提供一種用于觀察合成虛像的頭戴式顯示裝置，所述合成虛像包括一由觀察者在左觀察孔看到的由左圖像形成的左虛像和一由觀察者在右觀察孔看到的由右圖像形成的右虛像，該頭戴式顯示裝置包括(a)圖像發(fā)生器，用來提供，作為場景內(nèi)容數(shù)據(jù)的，左圖像及右圖像；(b)左圖象顯示器，用來從圖像發(fā)生器接收左圖像的場景內(nèi)容數(shù)據(jù)和用來將第一左中間圖像顯示在左彎曲表面上；
(c)左球透鏡，離開該左彎曲表面一距離，該球透鏡的曲率中心基本與該左彎曲表面的曲率中心重合，該左球透鏡具有一左球透鏡光瞳，該左球透鏡形成該第一左中間圖像的第二個左中間圖像；(d)右圖象顯示器，用來從該圖像發(fā)生器接收該右圖像的場景內(nèi)容數(shù)據(jù)和用來將右中間圖像顯示在右彎曲表面上；(e)右球透鏡，離開該右彎曲表面一距離，該球透鏡的曲率中心基本與該右彎曲表面的曲率中心重合，該右球透鏡具有一右球透鏡光瞳，該右球透鏡形成該第一右中間圖像的第二個右中間圖像；(f)分束器裝置，安置來做下列事情(1)將由左球透鏡形成的第二左中間圖像反射到一左曲面鏡，該左曲面鏡具有一曲率中心與該左球透鏡的曲率中心在光學(xué)上是重合的，該左曲面鏡安置來通過該分束裝置在該左觀察光瞳處形成該球透鏡光瞳的一實像和第二左中間圖像的左虛像；(2)將由該右球透鏡形成的第二右中間圖像反射到一右曲面鏡，該右曲面鏡的曲率中心與該右球透鏡在光學(xué)上是重合的，右曲面鏡安置來通過分束裝置在該右觀察光瞳處形成球透鏡光瞳的一實像和該第二右中間圖像的右虛像；本發(fā)明的特點是利用一球透鏡組件來投射每個眼睛所觀察的圖像。
本發(fā)明的還有一特點是產(chǎn)生一具有球面曲率的中間圖像，這球面曲率適合用一球透鏡將該中間圖像投射到具有球面曲率的鏡子上。
本發(fā)明的另一特點是利用一光學(xué)部件來給中間圖像提供球面曲率以便用球透鏡投射。
本發(fā)明的一優(yōu)點是它給觀察者提供一虛像。該觀察者享受寬視野，并在投射的圖像中具有最小畸變和最小的像差。
本發(fā)明的另一優(yōu)點是它為HMD應(yīng)用提供了一大光瞳尺寸的光瞳成像。
本發(fā)明的另一優(yōu)點是它使用一單中心的光學(xué)配置，內(nèi)在地將圖像的像差和畸變減到最小。該優(yōu)選實施例的設(shè)計甚至允許光學(xué)部件基本同心配置，并對于該觀察者的每個眼睛都有一獨立的光路。
本發(fā)明的另一優(yōu)點是它為HMD提供的視野比慣常以合理價格獲得的寬。此外，本發(fā)明的配置因為使用了球透鏡而不會發(fā)生由于余弦四次方定律所引起的亮度下降，這種下降對于傳統(tǒng)的寬視野成像光學(xué)系統(tǒng)來說是通常的。
本發(fā)明的這些和其它的目的、特點、和優(yōu)點，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在結(jié)合附圖閱讀了下面的詳細描述時都將成為顯而易見的，其中畫出和描述的是本發(fā)明的說明性的實施例。
附圖簡介盡管該說明是以特別指出本發(fā)明的主題并對該主題提出明白地權(quán)利要求的權(quán)利要求書為結(jié)束，但相信，在結(jié)合附圖后本發(fā)明將會從下面的描述更好地被理解。其中

圖1是一表示本發(fā)明的頭戴式顯示裝置的光學(xué)部件配置的透視圖；圖2a和2b是表示在兩個不同的實施例中，每個眼睛的主要光路部件和數(shù)據(jù)路徑部件的相互作用的側(cè)視圖；圖3是用在該裝置光路中的球透鏡組件的斷面?zhèn)纫晥D；圖4是一表示用于本發(fā)明的頭戴式顯示裝置的光學(xué)部件的另一配置的透視圖；圖5是表示圖5所示的該另一配置的光學(xué)部件關(guān)系的側(cè)視圖；圖6是表示圖5所示的該另一配置的光學(xué)部件關(guān)系的頂視圖；圖7是表示該光路中顯示部件的另一配置的側(cè)視圖，其中，陰極射線管被用來產(chǎn)生顯示的中間圖像；圖8是表示該光路中顯示部件的另一配置的側(cè)視圖，其中，纖維光學(xué)面板被用來產(chǎn)生顯示的中間圖像；圖9是表示該光路中顯示部件的另一配置的側(cè)視圖，該配置中使用了錐形纖維光學(xué)面板。
發(fā)明詳述本描述特別針對構(gòu)成本發(fā)明裝置的一部分的元件，或者更直接與本發(fā)明裝置協(xié)同運作的元件。應(yīng)該明白，沒有具體畫出或描述的元件可以取本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的各種形式。
參考圖1，圖中有一本發(fā)明的頭戴式光學(xué)裝置10的透視圖。戴著頭戴式光學(xué)裝置的觀察者的左眼12l和右眼12r的相對位置被示于圖1中。如圖1所示，在左眼12l和右眼12r的光路(optics path)中都使用一些相同的部件。為了給右眼12r提供圖像，右圖像顯示器18r顯示由右球透鏡組件30r投射向右分束器16r的圖像，這右圖像顯示器包括一與右纖維光學(xué)面板(fiber optic faceplate)56r耦合的右平面圖像形成發(fā)射表面84r。指向右曲面鏡(curved mirror)24r的該圖像然后就被顯示到右眼12r中。同樣，為了給左眼12l提供圖像，左圖像顯示器18l顯示由左球透鏡組件30l投射向左分束器16l的圖像，這左圖像顯示器包括一與左纖維光學(xué)面板56l耦合的左平面圖像形成發(fā)射表面84l。指向左曲面鏡24l的該圖像然后就被顯示到左眼12l中。
一般來說，下面的描述對于頭戴式光學(xué)裝置10的左和右兩光路都是同樣適用的。因此，除了在需要明確表示的地方外，附加的左“l(fā)”和右“r”符號都從本描述中省去。注意到下述事實是有益的盡管該優(yōu)選實施例使用分離的左和右分束器16l和16r，但卻可用一單一部件來充當(dāng)左、右兩光路的分束器16。
記住這種雙配置(dual arrangement)，圖2a和圖2b畫出頭戴式光學(xué)裝置10的部件的兩種另外的配置。圖2a和圖2b表示不同的實施例，在這兩實施例中分束器16和曲面鏡24配合形成光瞳14。參考圖2a所示的優(yōu)選實施例，圖像發(fā)生器70，如個人計算機或其它用于電子圖像處理的數(shù)字控制裝置，從一像源(未畫出)為左、右像路產(chǎn)生場景內(nèi)容。對于每個像路，圖像發(fā)生器70都給圖像顯示器18提供圖像數(shù)據(jù)。圖中畫出了一條像路的部件；如上所述，用于左右兩眼的圖像的部件都是相同的。如圖1，2a和2b所示，每個圖像顯示器18最好具有一曲面顯示表面(curved display surface)68，該產(chǎn)生的圖像就顯示在該表面上，作為一中間圖像，以便于球透鏡組件30投射。在所示實施例中，球透鏡30可做成具有一鏡面表面的半球，在光學(xué)上該半球起著一完整的球的作用。如隨后的描述那樣，在彎曲表面上形成這顯示的中間圖像比在平表面上的傳統(tǒng)圖像顯示來說具有一些優(yōu)點。球透鏡組件30充當(dāng)折疊式投射光學(xué)系統(tǒng)，將該顯示的中間圖像從曲面的顯示表面68投射到分束器16.分束器16反射形成一投射的中間圖像76的投射光，這投射的中間圖像76為一實像，這實像的曲率中心在光學(xué)上與球透鏡組件30的曲率中心重合。重要的是，投射的中間圖像76被形成在光學(xué)上處在或靠近該曲面鏡面24的聚焦面的位置上。因此，曲面鏡24對準(zhǔn)投射的中間圖像76以形成一虛像，呈現(xiàn)在圖2a和圖2b中就好像處在一表觀的虛像位置34一樣。那時對于觀察者來說似乎觀看到的場景內(nèi)容是在曲面鏡24后面一距離處，該圖像在視覺上似乎是處在曲面鏡24與無窮遠之間。該觀察者的眼睛12基本上是在觀察光瞳14的位置上。要適應(yīng)寬視野和通常的眼睛運動，光瞳14越大越有利就可以被理解了。
參看圖2b，另一實施例使用分束器16來透射來自球透鏡組件30的投射光和反射來自曲面鏡24的光。該圖2a的配置具有豎直放置的曲面鏡24，對于傳統(tǒng)的HMD結(jié)構(gòu)來說，它具有一些勝過圖2b所示配置的優(yōu)點；但是，對于透視應(yīng)用(see-through application)來說，圖2b所示裝置卻可能具有一些有利之處。
單中心的光學(xué)結(jié)構(gòu)的一些優(yōu)點已在上面的背景材料中指出過了。參看圖2a和圖2b的側(cè)視圖，可以看見，右、左兩光路基本上在光學(xué)上都是同心的。如圖2a和圖2b所示，分束器16和曲面鏡24在觀察光瞳14處協(xié)同形成球透鏡30的球透鏡光瞳62的一實像。(隨后的描述將給出關(guān)于如何形成球透鏡光瞳62的補充細節(jié)。)這種光學(xué)部件的同心配置提供了一用來將最初形成在曲面顯示表面68上的實中間圖像顯示成一虛像的理想配置。對于將圖像的像差和失真減小到最小和要求將光學(xué)部件數(shù)減到最小來說，光學(xué)部件這樣的同心配置的好處是可以理解的，因為這樣的配置提供了一些內(nèi)在的有利條件。
在保持本發(fā)明的該優(yōu)選實施例的同心配置時，曲面鏡24是球面彎曲的。但是，改變這種彎曲特性可能會有一些優(yōu)點，提供非球形的曲面鏡24來適應(yīng)對該光路的一些其它要求。曲面鏡24另一方面也可體現(xiàn)為一Fresnel鏡，具有仿效實際的曲面反射表面需要的有效光學(xué)曲率。
圖像發(fā)生器70將電子圖像數(shù)據(jù)提供給圖像顯示器18。該圖像數(shù)據(jù)可以從很多源中的任一個產(chǎn)生，例如，包括計算機產(chǎn)生的圖像，膠片或數(shù)碼相機的圖像，或從攝象機產(chǎn)生的圖像。在優(yōu)選實施例中該左眼和右眼的圖像是立體關(guān)系?；氐綀D1，這意味著在左和右的表觀虛像位置34l和34r處所形成的虛像構(gòu)成一合成的虛像。但是，必須指出，頭戴式顯示裝置10的配置也允許顯示非立體圖像。
球透鏡組件30的作用球透鏡組件30l/30r起著與它相關(guān)的左或右光學(xué)系統(tǒng)的投射透鏡的作用。參看圖3，圖中表示出對每個球透鏡組件30所提供的同心配置。中央的球面透鏡46放置在凸凹透鏡42和44之間，在這里，凸凹透鏡42和44具有打算將軸上的球面像差和色差減到最小的折射系數(shù)和其它的特性，這在光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域是眾所周知的。光闌(stop)48將該入射光瞳限制在球透鏡組件30內(nèi)。光闌48不需要是實體的，而可另外利用光學(xué)效應(yīng)，如全內(nèi)反射實現(xiàn)。從光路的觀點來看，光闌48可用來確定球透鏡組件30的球透鏡光瞳62(圖2a)。如圖2a和2b所示，球透鏡30可以是一半球，用作該光路中的折疊元件。
在一優(yōu)選實施例中，凸凹透鏡42和44被選擇來減小投射到曲面鏡24上的圖像的像差和優(yōu)化圖像品質(zhì)。應(yīng)該指出，球透鏡組件30可包括許多種圍繞中央球面透鏡46的支撐透鏡(support lens)的配置方式。無論使用多少，這些支撐透鏡的表面都應(yīng)與中央球面透鏡46共有一公共的曲率中心C。此外對于球透鏡組件30的透鏡部件所用的折射材料可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)改變。例如，除了一些標(biāo)準(zhǔn)的玻璃透鏡外，中央球面透鏡46可由包括塑料、油、或其它的液體物質(zhì)，或者是按應(yīng)用要求所選擇的其它折射材料構(gòu)成。在球透鏡組件30中的凸凹透鏡42和44，和任何其它的附加支撐透鏡都可由玻璃，塑料，密封液體，或其它適合的折射材料構(gòu)成，所有的都包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在其最簡單的實施例中，球透鏡組件30可包括一單個的球面透鏡46，而沒有支撐的折射部件。
又參看圖3，圖中畫出了球透鏡組件30是怎樣運作來提供寬視野成像而同時又使像差和失真最小。從曲面顯示表面68上的任何點源50來看，球透鏡組件30都可被認(rèn)為在光學(xué)上是“同軸”的，因而從每個點源50來的光都被投射到投射的中間圖像76內(nèi)的相應(yīng)點上。在曲面顯示表面68的曲率中心與球透鏡組件30的曲率中心C相同時，所得到的投射的中間圖像76就將內(nèi)在地具有最小的像差，這是因為該中間圖像也與球透鏡組件30共有一曲率中心的緣故所致。
再參看圖3，還可理解，球透鏡組件成像的另一好處是與整個視野上的圖像亮度有關(guān)的。因為在曲面顯示表面68上的所有物點在光學(xué)上是同軸的，所以用于照明急劇下降的余弦四次方定律(Cosine FourthLaw)并不適用。實際的亮度水平可因此被維持，甚至在該像場的“邊緣”。另外，由于成像光學(xué)的原因，在該像場的極邊緣處也沒有固有的漸暈現(xiàn)象(vignetting)存在。此外，與傳統(tǒng)的寬場光學(xué)系統(tǒng)不同，對于在彎曲表面68上的所有物點來說球透鏡光瞳62(如圖2a和2b所示)都仍然是圓形的，而在傳統(tǒng)寬場光學(xué)系統(tǒng)中對于離軸很遠的點來說有效光瞳的形狀將變成橢圓的。
曲面顯示表面68優(yōu)選的和另外的辦法為了能單中心的配置光學(xué)部件，圖像顯示器18在曲面顯示表面68上有利地提供該顯示的中間圖像。在一優(yōu)選實施例中，曲面顯示表面68被利用一包括平面圖像形成發(fā)射表面84和纖維光學(xué)面板56的組合來構(gòu)成，如圖8所示。平面圖像形成發(fā)射表面84可以是一有機發(fā)光二極管(OLED)顯示器之類的裝置，該裝置可從紐約Hopewell Junctiond的eMagin Corporation公司獲得。同樣，也可使用聚合物發(fā)光二極管(PLED)技術(shù)。對于這種應(yīng)用，OLED或PLED陣列顯示技術(shù)都能提供可在一平表面86上獲得的圖像。為了給該圖像提供曲率，纖維光學(xué)面板56，利用一如由麻省(MA)Charlton的Incom，Inc制造的熒光屏之類的裝置，將圖像從平表面86傳送到一輸出的凹表面60上。輸出凹表面60面對球透鏡30，而且與球透鏡組件30的中心C同心。另外，纖維光學(xué)面板56可用某種方式來處理，如用涂層或打毛的方法，以便為曲面顯示表面68提供一漫射表面。
參看圖9，可利用一錐形的纖維光學(xué)面板56t來形成一圖像，特別是在希望將來自平表面86的圖像放大或縮小的地方。錐形的纖維光學(xué)面板，如從麻省Southbridge的Schott Corporation公司獲得的那些，都可裝備曲面顯示表面68，因而從每條單個光纖58導(dǎo)向球透鏡組件30的光基本都與球透鏡組件30的表面垂直。這樣的配置有助于將離軸的場點上的漸暈現(xiàn)象減到最小或消除。
在一另外的實施例中，對OLED，PLED或其它的用別的方式用作發(fā)射表面84的部件直接提供曲率將是有利的。這樣的一種配置將不需要對獨立的部件，如纖維光學(xué)面板56，提供曲率。另外，OLED裝置可直接制備在纖維光學(xué)面板56上，以便形成一具有適當(dāng)?shù)那蛎媲?spherical curvature)的發(fā)射裝置。
但是，困難或昂貴可能在于給圖像顯示器18本身提供球面曲率。在這種情況，為了提供曲面顯示表面68所需要的曲率，還有一些其它的替代辦法來改進該圖像顯示器18的輸出，以便呈現(xiàn)給球透鏡組件30的該顯示的中間圖像基本上具有一球面曲率。參看圖4圖中畫出了另一實施例，其中圖像顯示器18具有圓柱的曲面。對于圖4所示的實施例，曲面顯示表面68只沿一條軸具有希望的曲率。為了補償和提供對于該顯示的中間圖像所希望的曲率，一超環(huán)面透鏡(toroidal lens)92被安置在圖像顯示器18和球透鏡組件30之間。這提供了必要的曲率，以便投射的中間圖像76呈球面形。
參看圖5，該圖中畫出了圖4所示光學(xué)裝置的一側(cè)面觀看的圖像。參看圖6，該圖中畫出了圖4所示光學(xué)裝置的一頂面觀看的圖像。
作為圖像形成發(fā)射表面84的另一類型，一微型的陰極射線管(CRT)90可用作圖像顯示器18，如圖7所示。這將要求從標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)行制品來改變曲率，以便為曲面顯示表面68提供適當(dāng)?shù)男螤睢Ａ硗猓w維光學(xué)面板56可用于與平陰極射線管90組合。
本發(fā)明利用最少的部件提供了一重量輕、高性能、而且價格低的頭戴式顯示裝置。本發(fā)明的裝置能提供在水平方向具有近似90°、垂直方向50°的寬視野和大約12mm的光瞳尺寸。此外，本發(fā)明裝置的同心設(shè)計允許該設(shè)計的直截了當(dāng)?shù)目煽s放性，因而該裝置可用在很多可能的面和頭戴式的配置中。
與傳統(tǒng)的HMD結(jié)構(gòu)不同，對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說透鏡系統(tǒng)必須在光瞳成像和獲得寬視野之間進行折衷，本發(fā)明的光學(xué)上同心的裝置利用球透鏡組件30對每一場點都有效地提供一相同的光路。因此，本發(fā)明提供的裝置對單色和多色像差所要求的校正將最少。
其它的替代實施例本發(fā)明容許很多其它的替代實施例。例如，本發(fā)明可使用在許多頭戴式或面戴式的裝置，包括護目鏡，頭盔等等中。例如，利用本發(fā)明的光學(xué)構(gòu)形的HMD還可通過添加聲傳感器來增強。
有許多可選擇的器件可用作圖像顯示器18的一部分。一個備選器件可以是一數(shù)字微型反光鏡器件(Digital micromirror Device)(DMD)，它可從德州Dallas的Texas Instruments，Inc.獲得。
例如，可通過如在專利U.S.Patent No.5,991,085(Rallison等人)中公開的那樣，提供頭部跟蹤來對基本的成像提供改善。利用如機械，磁性、超聲、或光學(xué)傳感器之類的跟蹤技術(shù)都可使用來檢測頭部的運動。另外的一些傳感器，如重力、慣性傳感器可使用于模擬裝置之類的應(yīng)用中，在這類應(yīng)用中加速度、間距、搖擺、滾動的檢測將是有用的。利用來自跟蹤和有關(guān)的檢測技術(shù)的數(shù)據(jù)，圖像發(fā)生器70可使顯示的圖像適應(yīng)左和右的觀察光瞳14l/14r以便調(diào)節(jié)圖像場景內(nèi)容以便適合于該應(yīng)用。
在利用本發(fā)明的設(shè)計時還可利用偏振特性來改善HMD的反差和光效率(light efficiency)。回到圖2所示的側(cè)視圖，例如，偏振分束器可被用于放置在曲面鏡24前面的帶有四分之一波長延遲器的分束器16。對于入射在偏振分束器上的光來說，偏振方向總是這樣選擇，以便使這光被該分束器全反射。在兩次通過該四分之一波長延遲器后，該光的偏振將會被旋轉(zhuǎn)90°，因而能使該光完全通過該分束器傳送到觀察者12。
權(quán)利要求
1.一種頭戴式顯示裝置，用于觀察合成虛像，所述合成虛像包括一由觀察者在左觀察光瞳看到的由左圖像形成的左虛像，和一由觀察者在右觀察光瞳看到的由右圖像形成的右虛像，該頭戴式顯示裝置包括(a)圖像發(fā)生器，用來提供作為場景內(nèi)容數(shù)據(jù)的所述的左圖像及所述的右圖像；(b)左圖象顯示器，用來從所述圖像發(fā)生器接收所述的左圖像的場景內(nèi)容數(shù)據(jù)和用來將第一中間圖像顯示在左彎曲表面上；(c)左球透鏡，離開所述左彎曲表面一距離，所述球透鏡的曲率中心基本與所述的左彎曲表面的曲率中心重合，所述左球透鏡具有一左球透鏡光瞳，所述左球透鏡形成所述的第一左中間圖像的第二個左中間圖像；(d)右圖象顯示器，用來從所述圖像發(fā)生器接收所述的右圖像的場景內(nèi)容數(shù)據(jù)和用來將第一中間圖像顯示在右彎曲表面上；(e)右球透鏡，離開所述右彎曲表面一距離，所述球透鏡的曲率中心基本與所述的右彎曲表面的曲率中心重合，所述右球透鏡具有一右球透鏡光瞳，所述右球透鏡形成所述的第一右中間圖像的第二個右中間圖像；(f)分束器裝置，安置來做下列事情(1)將由所述左球透鏡形成的第二左中間圖像引導(dǎo)到一左曲面鏡，該左曲面鏡的具有一曲率中心與所述左球透鏡的曲率中心在光學(xué)上重合，所述左曲面鏡安置來通過所述分束裝置在所述左觀察光瞳處形成所述球透鏡光瞳的一實像和所述第二左中間圖像的一左虛像；(2)將由所述右球透鏡形成的第二右中間圖像引導(dǎo)到一右曲面鏡，所述右曲面鏡具有一曲率中心與所述右球透鏡在光學(xué)上是重合的，所述右曲面鏡安置來通過所述分束裝置在所述右觀察光瞳處形成所述球透鏡光瞳的一實像和所述第二右中間圖像的一右虛像；
2.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的合成虛像是一立體圖像。
3.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的左圖像顯示器包括液晶器件。
4.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的分束器包括一左分束器和一右分束器。
5.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的左圖像顯示器包括發(fā)光二極管。
6.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的左圖像顯示器包括陰極射線管。
7.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的左圖像顯示器包括有機發(fā)光二極管。
8.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的左圖像顯示器包括聚合物發(fā)光二極管。
9.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的左圖像顯示器包括數(shù)字微型反光鏡器件。
10.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的右圖像顯示器包括發(fā)光二極管。
11.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的右圖像顯示器包括陰極射線管。
12.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的右圖像顯示器包括有機發(fā)光二極管。
13.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的右圖像顯示器包括聚合物發(fā)光二極管。
14.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的右圖像顯示器包括數(shù)字微型反光鏡器件。
15.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的左彎曲表面是球面彎曲的。
16.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的右彎曲表面是球面彎曲的。
17.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的左彎曲表面是圓柱彎曲的。
18.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的右彎曲表面是圓柱彎曲的。
19.權(quán)利要求17的頭戴式顯示裝置還包括一放置在所述左彎曲表面和左球透鏡之間的一矯正透鏡。
20.權(quán)利要求18的頭戴式顯示裝置還包括一放置在所述右彎曲表面和右球透鏡之間的一矯正透鏡。
21.權(quán)利要求19的頭戴式顯示裝置，其中所述的矯正透鏡基本上是超環(huán)面的。
22.權(quán)利要求20的頭戴式顯示裝置，其中所述的矯正透鏡基本上是超環(huán)面的。
23.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的左圖像顯示器包括一纖維光學(xué)面板。
24.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的右圖像顯示器包括一纖維光學(xué)面板。
25.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置還包括至少一個聲音傳感器。
26.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的分束器包括偏振分束器。
27.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置還包括一放置在所述左曲面鏡前面的四分之一波片。
28.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置還包括一放置在所述右曲面鏡前面的四分之一波片。
29.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的左曲面鏡包括Fresnel鏡。
30.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的右曲面鏡包括Fresnel鏡。
31.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的左球透鏡包括一中央球面透鏡。
32.權(quán)利要求20的頭戴式顯示裝置，其中所述的左球透鏡還包括至少一個凸凹透鏡，其中所述凸凹透鏡的兩表面與所述中央球面透鏡共有一公共的曲率中心。
33.權(quán)利要求20的頭戴式顯示裝置，其中所述的中央球透鏡包括折射液體。
34.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的右球透鏡包括一中央球面透鏡。
35.權(quán)利要求34的頭戴式顯示裝置，其中所述的右球透鏡還包括至少一個凸凹透鏡，其中所述凸凹透鏡的兩表面與所述中央球面透鏡共有一公共的曲率中心。
36.權(quán)利要求34的頭戴式顯示裝置，其中所述的中央球透鏡包括折射液體。
37.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置還包括一頭部跟蹤器。
38.權(quán)利要求23的頭戴式顯示裝置，其中所述的纖維光學(xué)面板經(jīng)過處理，以便使所述左彎曲表面形成為一漫射表面。
39.權(quán)利要求24的頭戴式顯示裝置，其中所述的纖維光學(xué)面板經(jīng)過處理，以便使所述右彎曲表面形成為一漫射表面。
40.權(quán)利要求23的頭戴式顯示裝置，其中所述的纖維光學(xué)面板是一錐形纖維光學(xué)面板。
41.權(quán)利要求24的頭戴式顯示裝置，其中所述的纖維光學(xué)面板是一錐形纖維光學(xué)面板。
42.權(quán)利要求7的頭戴式顯示裝置，其中所述的有機發(fā)光二極管是制作在纖維光學(xué)面板上的。
43.權(quán)利要求12的頭戴式顯示裝置，其中所述的有機發(fā)光二極管是制作在纖維光學(xué)面板上的。
44.權(quán)利要求1的頭戴式顯示裝置，其中所述的左球透鏡和右球透鏡都是構(gòu)成折疊元件的半球。
全文摘要
一種可提供具有很寬視野光瞳成像的頭戴式光學(xué)裝置(10)。該頭戴式光學(xué)裝置(10)使用一種光學(xué)部件的單中心配置，提供虛像的立體顯示，該虛像用電子學(xué)方法產(chǎn)生并從彎曲表面(68)投射成左圖像和右圖像。對于每個右圖像和左圖像來說，一球透鏡組件(30)被用來將由該曲面顯示表面(68)顯示的中間圖像投射向一分束器(16)，它將中間圖像引導(dǎo)到對準(zhǔn)該圖像的曲面鏡(24)的前聚焦面，以便形成一虛像。該分束器(16)將該虛像傳送給觀察者的每個眼睛。
文檔編號G02B27/00GK1391126SQ0212276
公開日2003年1月15日 申請日期2002年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月11日
發(fā)明者J·M·科布, J·A·阿戈斯蒂內(nèi)利, D·凱斯勒 申請人:伊斯曼柯達公司