作为移动增强现实显示器的紧凑型边沿安装的基于弯曲光学透视光导的眼部佩戴物

摘要

一种光学设备包括光导以及在头部可安装框架的顶部处的显示器。显示器朝向光学设备的眼睛侧定向。反射器位于光学设备的眼睛侧处，并且将光导入光导中。部件的这种取向和布置减少了从光学设备中泄漏出来的光。光导包括弯曲第一表面和弯曲第二表面。该设备将光通过弯曲第一表面反射到用户眼睛，用于增强现实视觉。头部可安装框架支持显示器、反射器和光导。

说明书

背景技术

一些可佩戴的电子眼部佩戴设备结合了近眼光学系统来向用户显示图像。有些设备只显示计算机生成的图像(CGI)，而其他类型的设备能够在现实世界的视图上叠加CGI。后一种类型的设备通常包括某种形式的透视目镜，并且可以作为实施增强现实(AR)的硬件平台。

电子加强眼部佩戴设备具有多种实用和休闲应用，但是由于用于实施现有眼部佩戴设备的光学系统的成本、尺寸、重量、厚度、视场和效率，所以这些应用中的许多应用受到限制。例如，常规部件的使用通常产生只有几度宽度和几度高度的CGI，从而导致较差的用户体验。先前的眼部佩戴设计已经试图通过采用弯曲光导结合微显示器来解决这些问题，该微显示器位于类似于常规眼镜的头部可佩戴框架的镜腿区域中。然而，基于这些设计的特定几何形状和物理约束，光导限制光路，以便实现光学器件在镜腿区域内的隐藏。此外，在定位某些眼部佩戴设备的部件方面的常规约束导致低视场(FOV)显示器。

发明内容

一些具有微显示器(“显示器”)的眼部佩戴设备倾向于将光泄漏到设备外部，从而无意中公布了电子设备的使用。此外，一些电子加强的眼部佩戴设备需要比期望的更长的光导长度。例如，当显示器在镜腿位置处时，光导通常需要以相对较大的角度(例如18度或更大)倾斜，以便有助于光导内的显示光的全内反射(TIR)。这些和其他约束产生了低视场(FOV)显示器(例如，大约十度对角或更小)。

本文中所描述的一些实施例涉及将眼部佩戴设备的显示器朝向设备的眼睛侧定向，并重复使用世界侧和眼睛侧光学部件来放大显示光。所得眼部佩戴设备具有平常的非电子眼部佩戴物的外观，例如常规眼镜的外观，同时增强显示器的图像，以改善对信息的观看。眼部佩戴设备能够利用位于框架的眼睛侧的透镜来适应对视觉的处方调节，并且在框架的顶部内结合显示器，其中该显示器生成用文本、图像、图标等来补充世界视图的图像。

这些实施例中的一些实施例的特定特征在于，显示器被定向成首先向用户发射光，其中显示器和其他部件被密封以防尘并且被保持就位在框架内，使得很少或没有光从显示器泄漏到设备的世界侧。这种布置有助于保持部件彼此对准，并且使得观察者难以识别某人是否佩戴了电子加强光学系统。部件的布置使得眼部佩戴物的镜腿能够更薄，并且可以使用常规的眼部佩戴物臂铰链。当正常显示时，光从光导出来，该设备重复使用弯曲处方透镜或太阳镜的基础曲率来增强显示光，这使得一些实施例在许多环境中是理想的。许多现有形式的基于现代AR技术的眼部佩戴设备使用平坦光导，并且不适应视觉校正。这里，光导中的弯曲透镜表面的使用产生了薄而轻的眼部佩戴设备，该眼部佩戴设备将校正透镜与光导一起容纳在框架中，而不会显著扩大光学设备的整体尺寸。

特别地，所提出的解决方案涉及一种光学设备，该光学设备包括朝向该光学设备的眼睛侧定向的显示器，并且该显示器被配置为基于输入信号朝向该光学设备的眼睛侧发射光。该光学设备还包括光导、反射器和头部可安装框架。光导包括在光学设备的眼睛侧处的弯曲第一表面。弯曲第二表面将光通过弯曲第一表面反射到用户眼睛。反射器包括反射表面，该反射表面相对于显示器位于眼睛侧处且位于光导的弯曲第一表面和弯曲第二表面中的至少一个表面的上方。反射器被定位成将来自显示器的光反射到光导中。头部可安装框架支持显示器、反射表面和光导，并且显示器位于该头部可安装框架的顶部处。

在示例性实施例中，光学设备还包括场透镜，该场透镜具有第一表面和第二表面，该第一表面接收来自反射器的光，该第二表面朝向光导的内部定向。场透镜位于光导的顶侧处。场透镜的朝向光导定向的第二表面例如是球形形状的。

显示器、光导和反射器可以被定位成在来自显示器的光到达用户眼睛之前将光从光导的弯曲第一表面和弯曲第二表面中的至少一个表面反射至少两次。

在示例性实施例中，光导包括在光导的顶部处的第三表面，该第三表面用于接收来自反射器的光。

在示例性实施例中，场透镜、光导或场透镜和光导两者的表面可以被成形为当光从显示器朝向用户眼睛前进时在第一维度和第二维度中的至少一个维度上校正来自显示器的光的计算机生成图像(CGI)的散光，这些维度彼此正交或不正交。

在示例性实施例中，显示器被安装到头部可安装框架，并且装配在光导的顶边缘的上方4毫米或更小高度的区域内。

在示例性实施例中，显示器包括至少90个竖直布置的像素行。

在示例性实施例中，显示器、反射器和光导的布置被布置在光学设备中，以提供相对于来自显示器的所得图像的至少10度的对角视场。

在示例性实施例中，显示器、反射器和光导的布置被布置在光学设备中，以提供相对于来自显示器的所得图像的至少3:1的水平与竖直纵横比。

在示例性实施例中，沿着光导的截面，光学设备的眼睛侧处的弯曲第一表面与光导的弯曲第二表面之间的距离为4.5毫米或更小。

在示例性实施例中，从光导的弯曲第一表面到用户眼睛的良视距为26毫米或更小。

在示例性实施例中，光学设备提供至少两度的包角。

在示例性实施例中，所得图像的顶边缘位于用户眼睛的瞳孔的中心轴的下方至少两度处。

在示例性实施例中，所得图像的顶边缘位于用户眼睛的瞳孔的中心轴的上方至少两度处。

在示例性实施例中，来自显示器的所得图像被定向成相对于用户眼睛具有至少两度的广角倾斜。

在示例性实施例中，光导的第四表面是球形的，该第四表面具有曲率在80毫米至100毫米之间的球形尺寸。

在示例性实施例中，光导的弯曲第二表面包括用于来自显示器的所得图像的组合器，其中来自显示器的所得图像和世界视图形成用于由用户眼睛观察的组合视图。通常，光导、显示器、场透镜和反射器可以位于用户眼睛的前方，使得组合器的组合器表面在用户眼睛的前方，并且组合器表面在光导与从瞳孔中心水平延伸的光轴的交叉处或附近。组合器表面可以具有非平面的组合器曲率。

在示例性实施例中，光学设备可以包括填充件，该填充件具有第一表面，该第一表面被成形为符合光导的世界侧第四表面并且被成形装配到光导中的凹部(孔)内，其中填充件具有第二表面，该第二表面被成形为符合光导的弯曲第二表面。例如，在填充件的眼睛侧上，填充件的第一匹配表面可以被成形为匹配光导的组合器孔的组合器表面的组合器曲率。在这样的实施例中，来自显示器的显示光和来自光导的世界侧的环境光在组合器孔中或附近组合。

在示例性实施例中，第一弯曲表面和第二弯曲表面是透明的，光导可以进一步包括透明第三表面，该透明第三表面朝向头部可佩戴框架的顶部定向，该透明第三表面用于接收显示光，该显示光经由全内反射在光导的内部反射。透明弯曲第四表面被成形为将来自显示器的光通过透明弯曲第一表面反射到用户的眼睛并且将显示光与从世界侧通过光导的透明弯曲第二表面进入的环境光组合，其中反射器位于装置的眼睛侧上，并且被定向为将来自显示器的光通过透明第三表面导入到光导中。

在这样的实施例中，光学设备可以包括位于光导的顶部处的显示透镜，其中显示透镜的第一表面朝向光导的第三表面定向，并且其中显示透镜的第一表面沿着第一轴以自由形式的方式弯曲，并且显示透镜的第一表面沿着与第一轴垂直的第二轴弯曲，从而在光导的透明弯曲第四表面处在至少一个维度上增强所得图像区域。另外，光导的透明弯曲第四表面的曲率可以沿着至少一个轴是自由形式，并且来自显示器的光可以在从透明弯曲第四表面反射之前通过光导的弯曲第一表面和弯曲第二表面中的每一个表面的内部反射被反射至少两次，然后光可以通过光导的在眼睛侧上的透明弯曲第一表面朝向用户眼睛透射。附加地或可替代地，光导的透明弯曲第三表面的曲率可以沿着至少一个轴是自由形式的，从而在光导的透明弯曲第四表面处在至少一个维度上增强所得图像区域。

所提出的解决方案还涉及一种装置，该装置包括位于(该装置的)头部可佩戴框架的顶部处的显示器，并且该显示器朝向该装置的眼睛侧定向。光导将来自显示器的光导向眼睛方向。反射器位于设备的眼睛侧。光导包括在光导的眼睛侧上的透明弯曲第一表面、在光导的世界侧上的透明弯曲第二表面以及朝向头部可佩戴框架的顶部定向的用于接收显示光的透明第三表面。显示光经由全内反射在光导的内部反射。透明弯曲第四表面被成形为将来自显示器的光通过光导的透明弯曲第一表面反射到用户眼睛并且将显示光与从世界侧通过光导的透明弯曲第二表面进入的环境光组合。反射器被定向成将来自显示器的光通过透明第三表面导入光导中。

在示例性实施例中，显示透镜可以位于光导的顶部处，其中显示透镜的第一表面朝向光导的第三表面定向，并且其中显示透镜的第一表面沿着第一轴以自由形式的方式弯曲，并且显示透镜的第一表面沿着与第一轴垂直的第二轴弯曲，从而在光导的透明弯曲第四表面处在至少一个维度上增强所得图像区域。在这样的实施例中，光导的透明弯曲第四表面的曲率可以沿着至少一个轴是自由形式的，并且来自显示器的光可以在从透明弯曲第四表面反射并通过光导的在眼睛侧上的透明弯曲第一表面朝向用户眼睛透射之前，通过光导的弯曲第一表面和弯曲第二表面中的每一个表面的内部反射被反射至少两次。附加地或可替代地，光导的透明弯曲第三表面的曲率沿着至少一个轴是自由形式的，从而在光导的透明弯曲第四表面处在至少一个维度上增强所得图像区域。

附图说明

通过参考附图，可以更好地理解本公开，并且可以使得本公开的许多特征和优点对于本领域技术人员来说是显而易见的。在不同的附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项目。

图1示出了根据一些实施例的眼部佩戴设备的透视图。

图2示出了根据一些实施例的图1的眼部佩戴设备的框架边沿部的前视图。

图3示出了根据一些实施例的沿着图1的线1-1的光导、显示器和场透镜的侧视截面图。

图4示出了根据一些实施例的沿着图1的线1-1的光导、显示器和反射器的侧视截面图。

图5示出了根据一些实施例的表征弯曲光导的反射表面的一组示例系数。

图6-9示出了根据一些实施例的由用户佩戴的眼部佩戴设备的透视图。

图10示出了通过根据一些实施例的眼部佩戴设备的透镜中的一个透镜观看的场景。

图11示出了首先在图1中示出的光导的分解透视图。

图12示出了根据一些实施例的位于框架中的光导的俯视图，如框架中所示。

图13和14示出了根据一些实施例的眼部佩戴设备的透视剖视图。

具体实施方式

图1示出了根据一些实施例的眼部佩戴设备100形式的光学设备的透视图。设备100广义地示出了本文中进一步描述的眼部佩戴设备的部件。设备100包括被安装在框架110中的一个或一对光导101。框架110将光导101固连在其顶侧114与底侧120之间。框架110被成形为类似于一副普通眼镜的形式。一般来说，光导101是透明的，并且用作用于观察用户前方和用于将显示器105的光朝向用户眼睛引导的透镜，从而从设备100提供基于AR的视图。

对于单个显示器105，光导101包括具有电介质镜涂层的表面，其充当反射源自显示器105的光103的组合器102。显示器105被安装在框架110的顶侧114处的一个光导101的顶边缘123上方。光导101允许来自世界侧113的环境光104穿过光导101的眼睛侧115和组合器102的电介质镜涂层。框架110包括两个臂111，这两个臂111在框架110的相应侧上从框架110的镜腿位置朝向并越过用户的耳朵(未示出)延伸。在一些实施例中，一个臂111容纳电线112，以向包括显示器105及其封装在内的各种部件供电并从计算设备或其他显示器驱动数据源(未示出)向显示器105提供图像数据信号。在其他实施例中，至少一个臂111包括或容纳用于接收信号并将信号无线提供给显示器105的部件。电力由设备100本地的电池或其他形式的能量提供，或者由设备100外部的源来提供。

显示器105在光导101顶部处在眼睛取向上的放置由光导101的各种特征来支持，例如具有弯曲的眼睛侧表面122和弯曲的世界侧表面121。根据某些实施例，这些弯曲表面121、122是球形的，并且这些弯曲表面121、122中的每一个具有彼此相似或近似相同尺寸的特性尺寸(例如，球形尺寸、半径、曲率参数组)，以便实现零光焦度(屈光度)的光学透视。弯曲的世界侧表面121是第一表面，并且眼睛侧表面122是第二表面。根据某些实施例，光导101顶部处的表面是自由形式的，以便校正关于显示器105和从其发射的光的散光(如果有的话)。光导101顶部处的表面是设备100的第三表面。

光导101的另一个表面提供来自显示器105的光朝向用户眼睛的最终反射，并且在至少一些实施例中，该表面也以自由形式方式弯曲。该最终表面在本文中被称为组合器102或组合器表面。从其反射的图像被称为光场，并且被提供给用户眼睛。在其他实施例中，光导101的最终表面是旋转对称的非球形表面、变形的非球形表面、超环面形状的表面、Zernike多项式形表面、径向基函数形表面、x-y多项式形表面或非均匀有理b样条形表面。在一些实施例中，至少设备100的光导101的表面用作从显示器105发射的光的光学放大器。所描述的技术适用于所有类型的透视设备，例如眼镜、头盔、头戴式显示(HMD)设备和挡风玻璃，并且能够将计算机生成的场景和真实世界的场景光学融合以形成组合视图。光导101的某些实施例的厚度至多约4毫米。包括显示器105在内的光学器件的零件占据了隐藏在设备100的框架110的顶部的边沿中的约3.5毫米的空间。为了减轻眼部佩戴设备100的重量，一些实施例是单眼的，如图所示，即，设备100具有单个光导101和一个显示器105。

图2示出了根据一些实施例的眼部佩戴设备100的边沿框架部210的前视图200。举例来说，当通过光导101向用户提供增强现实视觉时，边沿框架部210为用户提供在约-4D至+2D之间的处方支持，其中D指屈光度。设备100的尺寸基于相对于瞳孔中心126定位的约4毫米的瞳孔直径127。用于左眼和右眼(未示出)的每一个光导101基于约53.3毫米的框架水平盒距离124和约44毫米的框架竖直盒距离131。光导101由约17.5毫米的桥长度125分开。当用户佩戴设备100时，桥长度125通常以中间位置130为中心。装配高度132是从光导101的底侧120到顶边缘123的距离，并且装配高度到瞳孔中心126为约23毫米。边沿框架部210基于约63毫米的瞳孔间距离(IPD)。

光导101的一些实施例以至多约12度的广角倾斜来定向。框架部210将一个或两个弯曲光导101以至多约15度的包角定位，其中一些实施例相对于用户前方的平面视场具有约10度的包角。在一些实施例中，框架的基础曲线为约5.08(98.435R)。边沿框架部210的顶部具有至多4毫米的厚度133，一些实施例具有3.5毫米或更小的厚度133。在特定实施例中，在框架110的顶部的内部的显示器提供约3:1宽高比的图像。对应的厚度为约3.5毫米的头部空间。对于产生约8:1宽高比的图像的显示器105，头部空间至多约3.6毫米

图3示出了根据一些实施例的沿着图1的线1-1的光导301、显示器305、场透镜307和反射镜形式的反射器309的侧视截面图300。视图300示出了类似眼部佩戴设备100的设备的各种部件相对于用户330的眼睛331的取向。在视图300中，为了图示和编号的清楚起见，没有示出类似框架110的框架。显示器305朝向光导301的眼睛侧115定向。显示器305生成朝向反射镜309的显示光303。显示光303沿着光路350朝向眼睛331及其瞳孔332行进。眼睛331前方的鼻子329的轮廓是可见的，并且示出了与其相关的设备部件。虽然示出了一只眼睛331，但是应当理解，当提供第二屏幕和光导时，为用户330的第二只眼睛提供了类似的一组部件，如其他附图中所示。

在视图300中，如图所示，光导301、显示器305、场透镜307和反射镜309位于眼睛331的前方，使得组合器表面317在眼睛331的前方，并且组合器表面317在光导301与从瞳孔332的中心水平延伸的光轴336的交叉处。组合器表面317具有非平面组合器曲率318。显示器305、场透镜307和反射镜309被装配在3.5毫米或更小的设备边沿厚度133内。

在一些实施例中，组合器表面317内的组合器区域或所得图像产生区域(未示出)的中心为眼睛331提供所得图像，并且位于如在图像中心处测量的光轴336下方的第一角度333处。在一些实施例中，第一角度333在4至15度内，例如约10至12度。水平地(垂直于视图300)，所得图像的中心相对于静止的眼睛331的中心偏移约5至10度。对于右眼，水平偏移在光轴336的右侧，对于左眼，水平偏移在光轴336的左侧。来自光导301的世界侧113的环境光304穿过光导301(该光导301包括组合器表面317)，并进入瞳孔332和眼睛331中。

从显示器305起，显示光303在到达场透镜307之前首先传递到反射镜309的表面并被反射镜309的表面反射。在一些实施例中，场透镜307被安装到框架和光导301中的一个或多个或者由其保持就位。场透镜307由与光导301的材料相同或不同的材料制成。基于这些材料，场透镜307和光导301中的一个或多个为眼部佩戴设备100中的显示光和环境光304中的一个或多个提供颜色校正。例如，针对眼睛331校正显示光，使得当该光305穿过光学器件行进时，显示光305中的颜色分离在到达眼睛331之前被放尺寸于1.0弧分。在一些实施例中，基于显示器305与眼睛331之间的部件的几何形状和部件的制造材料，该调节小于0.5弧分。

场透镜307也被称为棱镜，并且是具有一个、两个或更多个特征的部件，其将光导向期望的位置并且具有一个或多个期望的特性。例如，在一些实施例中，场透镜307的第一表面308沿着第一轴、沿着第二轴(例如，垂直于包含图3的页面)或者沿着第一轴和第二轴弯曲。作为另一个示例，第一表面308沿着这些轴中的一个或多个轴是球形的或自由形式的。根据一些实施例，第一表面308位于光轴336上方约34度的第三角度335处。显示光303穿过场透镜307的主体，并从与第一表面308相反的第二表面射出。第二表面沿着第一轴、沿着第二轴或者沿着第一轴和第二轴弯曲。例如，第二表面沿着一个或多个轴是球形或自由形式的。

此外，场透镜307由第一材料制成，并且光导301由不同的第二材料制成。例如，第一材料是塑料材料，并且第二材料是玻璃材料或者合成树脂材料，例如

在一些实施例中，进入耦合器345是平坦的或弯曲的，其中曲率在光导301的顶部位置处沿着第一轴、沿着第二轴或沿着第一轴和第二轴在轮廓上是球形或自由形式的。进入耦合器345的曲率校正了在组合器表面317处形成的所得CGI中的一些或全部散光。根据一些实施例，相对于眼睛331和瞳孔332，所得CGI或其FOV为约水平40度且竖直14度。在其他实施例中，FOV具有一定宽高纵横比，其中水平尺寸为约45度并且竖直尺寸为约15度。

光导301包括具有世界侧曲率314的世界侧表面313以及具有眼睛侧曲率316的眼睛侧表面315。世界侧表面313和眼睛侧表面315相对于进入耦合器345被形成或以其他方式定位成当光303在光导301的顶部与组合器表面317之间行进时允许显示光303在两个表面313、315之间的全内反射。显示光303在进入耦合器345的法线的约24度内进入该进入耦合器345。当朝向眼睛331行进时，显示光303在从组合器表面317反射之前在每一个表面313、315上从两个表面313、315中的每一个表面反射一次或多次。在某些实施例中，显示光303具有与光导301的表面(例如表面313、315)的至少两次全内反射相互作用。在许多实施例中，两个表面313、315位于彼此约4.0毫米内。在某些实施例中，如从光导301的顶部到底部在沿着光导301的任何点处测量的，光导厚度310水平地为约4.5毫米或更小，但是光导厚度310可以取决于所使用的各种部件和这些部件的取向而根据需要变化，以通过光导301创建最终的AR图像。这里使用的光导厚度310是世界侧表面313与眼睛侧表面315处的最近点或相反点之间的距离。

根据一些实施例，沿着世界侧表面313，世界侧曲率314包括在眼睛侧具有在80至100毫米之间的半径的第一球形曲率319。沿着眼睛侧表面315，眼睛侧曲率316包括在眼睛侧具有在80至100毫米之间的半径的第二球形曲率320。在一些实施例中，第一球形曲率319为约91.7毫米，并且第二球形曲率320为约90.0毫米。在其他实施例中，曲率319、320的基础曲率为约5屈光度。从显示器305到眼睛331，设备100的效率为约10％。以弧分计，视敏度为约2.2。在显示器305的中心像素处测量的主光线远心度为约11度。光导301与眼睛331的前部(角膜)之间的良视距348为约20毫米。

光导301的组合器表面317相对于眼睛331前方的竖直轴位于第二角度334(即，广角倾斜角)。根据一些实施例，第二角度334是从竖直轴到所得图像内的一点测量的，该所得图像从组合器表面317反射并相对于组合器表面317。举例来说，相对于从组合器表面317反射的来自显示器305的所得图像的中心来测量第二角度334。作为另一个示例，相对于光导101的组合器表面317的中心测量第二角度334。在一些实施例中，第二角度334为约4至10度。考虑到设备100的所有元件的各种配置，组合角度337(包括相对于眼睛331前方的竖直轴的第一角度333和第二角度334)为约6至8度。为第一(右)用户眼睛提供第一光导301，并且为第二(左)用户眼睛提供第二光导。设备101中的第一光导和第二光导中的每一个光导从视轴包绕约5度，从而导致设备101的总包角为约10度。根据一些实施例，包角相对于视轴为至少2度。

根据一些实施例，光导301的球形表面的球形曲率半径被设计成使得其光焦度总和为零(即，每一个光导是零焦度壳)。在其他实施例中，球形曲率半径光学扩大了穿过光导301的光。如其他图中所示，透视壳与光导维持一小段距离，从而导致相对于常规设备和图像观看系统而言提供大致扩大的图像的美观的眼部佩戴设备。

图4示出了根据一些实施例的沿着图1的线1-1的光导301、显示器305和反射器409的侧视截面图400。视图400示出了类似于眼部佩戴设备100的设备的各种部件相对于用户330的眼睛331的取向。在视图400中，为了图示和编号的清楚起见，没有示出类似于框架110的框架。显示器305朝向光导101的眼睛侧115定向。显示器305生成朝向反射器409的显示光403。显示光403沿着光路450朝向眼睛331及其瞳孔332行进。为了参照，鼻子329的轮廓是可见的，并且示出了与其相关的设备部件。显示器305和反射器409装配在约3.5毫米或更小的设备边沿厚度133内。在某些实施例中，反射器409是除了如视图300中所示的设备中的场透镜307之外的场透镜。当从显示器305为用户330创建图像时，反射器409、场透镜307和/或光导301一起用作显示光403的放大器。世界侧表面313与眼睛侧表面315的最近点之间的光导厚度至多约4毫米。

在视图400中，如图所示，光导301、显示器305和反射器409位于眼睛331的前方，使得组合器表面317在眼睛331的前方，并且组合器表面317在光导301与穿过瞳孔332和眼睛331的光轴336的交叉处。在一些实施例中，所得图像产生区域401的中心在组合器表面317内。组合器表面317具有相对于用户330在一个维度或二个维度上的组合器曲率318。图像产生区域401的中心在光轴336的交叉处的下方。图像产生区域401中的至少一个点大体位于图像产生角度404处，并且该点在组合器表面317上。例如，图像产生角度404为约26度。角度404也被称为组合器倾斜角。该角度404也被称为组合器倾斜角，并且在一些情况下，该角度404被确定为图像产生区域401内的点的角度的平均值。来自光导301的世界侧113的环境光304穿过光导301(该光导301包括组合器表面317)，并进入瞳孔332和眼睛331。

从显示器305起，显示光403首先进入反射器409的第一平面表面407，随后在光403到达光导301的顶部(第三)表面445之前被反射器409的第二平面表面408反射。光导301的顶表面445也被称为光导301的进入耦合器表面。在一些实施例中，顶表面445是平面的，并且位于约55度的进入耦合器倾斜角405处。显示器305和反射器409相对于光导301的取向和位置被布置成引起显示光403在光导301内的全内反射。全内反射例如从光导301的眼睛侧115发生两次并且从光导301的世界侧113发生两次，从而实现在光导301中的两次全内反射。此外，选择并形成反射器409的形状以及反射器409的表面407、408的取向，以便在光导301的图像产生区域401处产生所得图像的期望品质、尺寸、形状和位置。在一些实施例中，平面表面407、408的平面彼此不平行。此外，为反射器409和光导301中的每一个选择材料。例如，反射器409由第一材料制成，光导301由不同的第二材料制成。在本示例中，第一材料是硼硅酸盐、中折射率(BSM)玻璃，第二材料是合成树脂基材料，如

图5示出了一组示例系数500，该组示例系数500表征了诸如根据一些实施例的光导301的演示弯曲光导的反射表面。第一表面501对应于组合器表面318，第二表面502对应于顶表面445。组合器表面318的球形曲率半径为约-83.26毫米。世界侧表面445的球形曲率半径为约85毫米。示例系数500与自由形式透镜的光学领域中已知的系数和测量值一致，并且满足以下相对于对应球面透镜的轴或中心的垂度方程：

其中m和n以及x和y是整数，并且其中R是特定表面501、502的半径长度。例如，m＝2且n＝0对应于C

图6示出了根据一些实施例的由用户330佩戴的眼部佩戴设备100的透视图600。仅示出了设备100的右侧部分，以暴露设备100相对于用户眼睛331的操作和位置。来自显示器105的光首先被导向框架110的顶部内的设备100的眼睛侧，并且通过反射镜309的表面的反射被导入光导301的顶侧。框架110安置在用户330的鼻子329的鼻梁上。反射镜309将显示光导向组合器102。组合器102将显示光反射到用户眼睛331的瞳孔332中。

图7示出了大体从后侧和右侧观察的眼部佩戴设备700的透视图，其中设备700类似于其他图中所示的设备100。根据一些实施例，设备700由用户330佩戴。仅示出了设备700的右侧部分，以暴露设备700相对于用户眼睛331的操作和位置。来自显示器305的光首先被导向框架110的顶部701内的设备700的眼睛侧，然后通过反射镜309的反射被导入光导301的顶侧。显示器305和反射镜309在框架110的顶侧114(例如，顶表面)与光导301的顶边缘123之间被结合到框架110中。框架110安置在用户330的鼻子329的鼻梁上。反射镜309将显示光导向组合器102。组合器102将显示光反射到用户眼睛331的瞳孔中。设备700的某些零件装配在框架110的顶部701内。设备700的顶部701竖直上尺寸至多约3.5毫米。对于+0D眼镜设备700(无视觉校正)，光导厚度310水平上为约4.59毫米或更小。光导301与眼睛331的前部(角膜)之间的良视距348为约14.54毫米。

图8示出了大体从后侧和右侧观察的根据一些实施例的眼部佩戴设备800的透视图，其中设备800类似于其他图中所示的设备100。设备800通过添加位于框架110内部的校正透镜801来提供约+2D的处方眼睛校正。仅示出了设备800的右侧部分，以暴露设备800相对于用户眼睛331的操作和位置。来自显示器105的光首先被导向框架110的顶部701内的设备800的眼睛侧，然后通过反射镜309的反射被导向光导301的顶侧。如光导301的插图中所示，光在第一表面(世界侧表面313)与第二表面(眼睛侧表面315)之间反射。显示器105和反射镜309在框架110的顶侧114(表面)与光导301的顶边缘123之间被结合到框架110中。框架110安置在用户330的鼻子329的鼻梁上。反射镜309将显示光导向组合器102。组合器102将显示光反射到用户眼睛331的瞳孔中。设备800的某些零件装配在框架110的顶部701内，这些零件包括显示器305和反射镜309。对于3:1比例的显示器305，设备800的顶部701竖直上尺寸至多约3.5毫米。对于+2D眼镜设备800，至少在穿过用户眼睛331的光轴处或其附近，总厚度803为约7.79毫米，并且光导与眼睛331的前部(角膜)之间的良视距804为约11.34毫米。对于4毫米的光导厚度310，校正透镜厚度802为约3.79毫米。

图9示出了大体从后侧和右侧观察的根据一些实施例的眼部佩戴设备900的透视图，其中设备900类似于其他图中所示的设备100。设备900通过添加位于框架110内部的校正透镜901来提供约-4D的处方眼睛校正。仅示出了设备900的右侧部分，以暴露设备900相对于用户眼睛331的操作和位置。来自显示器105的光首先被导向框架110的顶部701内的设备900的眼睛侧，然后通过反射镜309的反射被导向光导301的顶侧。如光导301的插图中所示，光在第一表面(世界侧表面313)与第二表面(眼睛侧表面315)之间反射。显示器105和反射镜309在框架110的顶侧114(表面)与光导301的顶边缘123之间被结合到框架110中。框架110安置在用户330的鼻子329的鼻梁上。反射镜309将显示光导向组合器102。组合器102将显示光反射到用户眼睛331的瞳孔中。设备900的某些零件装配在框架110的顶部701内，这些零件包括显示器305和反射镜309。对于3:1比例的显示器305，设备900的顶部701在竖直上尺寸至多约3.5毫米。对于-4D眼镜设备900，至少在穿过用户眼睛331的光轴处或其附近，总厚度903为约5.56毫米，光导与眼睛331的前部(角膜)之间的良视距904为约13.57毫米。透镜901在透镜901的顶部和底部处较厚，以符合透镜曲率，从而提供-4D校正。虽然示出了校正透镜801、901的竖直截面和单一厚度轮廓，但是这些透镜的形状是可调节的，以便为用户的眼睛提供散光校正。对于4毫米的光导厚度310，校正透镜厚度902在其最薄处为约1.56毫米。

图10示出了通过根据一些实施例的眼部佩戴设备的透镜中的一个透镜观看的场景1000。为了说明，场景1000在框架的边缘1007的内部是可见的，并且场景1000被水平等分线1011和竖直等分线1012分成象限。增强现实(AR)图像1001由诸如设备100的眼部佩戴设备的显示器产生。AR图像1001根据3:1的纵横比3:1(宽高比；水平与竖直比)来显示，其中图像1001和生成该图像的显示器沿着水平维度1002和竖直维度1003的尺寸为约528像素×132像素。则显示器将具有132个像素行，该像素行的像素行长度为528个像素单位。

AR图像1001的分辨率对应于生成AR图像1001的显示器的每测量单位的像素数和每一个像素的尺寸。如用户所观察到的，设备100在观察到的图像中产生具有24至44像素每可见度的AR图像1001。这样的像素放大范围提供了足够的清晰度和不显眼的像素可视性。显示器处的像素尺寸在7μm至50μm之间。就颜色位深度而言，对于AR图像1001，每种颜色至少使用4位。AR图像1001以1至30Hz之间的刷新率刷新。就显示器接口而言，可以使用多种类型的显示器接口。在一些实施例中，符合移动行业处理器接口(MIPI)的规范并且以命令模式操作的单路显示器串行接口(DSI)被用于驱动显示器以根据图像数据源生成AR图像1001。就功耗而言，当电池被驱动时，AR图像1001由具有至少50mWh电池容量的电源生成。

根据一些实施例，就尺寸而言，图像1001的FOV为约水平15度且竖直5度，并且位于场景1000的右下象限。这个位置是基于用户在多次试验中的反馈。对于眼部佩戴设备100，AR图像1001位于场景1000的象限中的任一个象限中，并且根据其位置，AR图像1001将基于设备100的部件的几何形状而表现出尺寸变化。就场景1000内的位置而言，AR图像1001位于从竖直平面向右约10度处(如由第一角度1005所指示)且在从穿过光轴的水平平面向下约12度处(如由第二角度1006所指示)。

对于具有8:1纵横比的AR图像，FOV为约水平20度×竖直2.5度，并且相对于生成3:1纵横比AR图像1001的显示器，生成显示器将具有对应的不同的数量的像素。就硬件而言，如在显示器处测量的，取决于眼部佩戴设备中所使用的显示器的类型(例如，OLED显示器、LCD显示器)，每一个像素具有7微米至50微米之间的特定尺寸。图像1001在靠近图像1001中心的像素处表现出小于3％的失真和至少15％的多色调制传递函数(MTF)。当被安装在框架中时，显示器在第一(水平)方向和第二(竖直)方向上渐晕小于90％，使得当生成AR图像1001时，掩模不会遮蔽显示器的许多像素。

在一些实施例中，AR图像1001在整个图像的一些或全部上具有三行文本1004。这些文本行1004向观看者提供AR信息。在这种情况下，如图所示，当用户站在企业外的街道对面并朝企业的方向凝视时，AR信息确认场景1000中的位置处的企业名称、街道地址和营业时间。除了文本之外，在AR图像1001中能够传递其他类型的信息，包括视频、图标和图像，并且该信息随着时间而更新。例如，在驾驶的同时，AR图像1001根据佩戴眼部佩戴设备100的用户的位置向用户提供文本和驾驶符号。

图11示出了光导(诸如首先在图1中示出的光导101)的分解透视图。眼部佩戴设备100的一组部件1100包括光导1101和匹配填充件1140。填充件1140是可选的，并且与光导1101一起是本文中所描述的光学设备的透镜的一个实施例。匹配填充件1140与光导1101一起被包括，以创建具有普通眼部佩戴物的外观且具有本文中所描述的功能的眼部佩戴设备100。填充件1140的表面被成形为匹配光导1101的表面，该光导1101的表面包括光导1101中的凹部1141的表面。例如，在填充件1140的眼睛侧，填充件1140的第一匹配表面1142被成形为匹配光导1101的组合器孔1102的组合器表面1117的组合器曲率1118。就填充件1140延伸到光导1101的眼睛侧而言，填充件1140的另一个表面被成形为匹配光导1101的眼睛侧表面1115的眼睛侧曲率1116。组合器孔1102存在于组合器表面1117的边界内。组合器表面1117由顶部界面线1120、底部界面线1121、外部界面线1122和内部界面线1123限定。线1120至323中的每一条线存在于光导1101的相应表面的交叉处。在填充件1140的世界侧，第二匹配表面1143被成形为匹配光导1101的世界侧表面1113的世界侧曲率1114。

来自显示器1105的显示光1103和来自光导1101的世界侧的环境光1104在组合器孔1102中被组合。显示器1105包括发光元件(例如，无源或有源矩阵有机发光或者有机电致发光二极管(OLED))，并且由本领域技术人员已知的封装1106中的集合在一起的一组部件所电子和机械地支持。如光路1150所示，从显示器1105发射的显示光1103行进到反射器1109，并且被反射到光导1101中。反射器1109的后表面上的区域示出了光1103被反射的位置。组合器孔1102是组合器表面1117的一部分，其最终将显示光1103朝向光导1101的眼睛侧反射。由显示器1105生成的显示光1103被反射器1109的表面导入到光导1101的顶表面1144中，并通过全内反射(TIR)在其中行进。在一些实施例中，顶表面1144是棱镜或场透镜的一部分，其然后相对于光导1101的其他部件并与光导1101的其他部件一起被密封在框架(未示出)的内部。

一旦被导入光导1101的内部，则显示光1103就在光导1101内部从世界侧表面1113和眼睛侧表面1115中的每一个表面反射至少一次。优选地，显示光1103在在光导1101的眼睛侧射出之前从表面1113、1115中的每一个表面反射一次。所述一组部件1100的每一个部件的表面(包括光导1101和填充件1140的表面)的形状包括沿着第一(x)轴1110、第二(y)轴1111和第三(z)轴1112中的一个或多个轴的维度分量。例如，如在其他图中进一步示出以及在此进一步描述的，组合器表面1117从相对于第一轴1110的透视图来看是弯曲的，并且从相对于第二轴1111的透视图来看是弯曲的。

光导1101包括在外边缘1126和内边缘1127中的外凹槽1125。外凹槽1125从顶侧1145延伸到底侧1146。外凹槽1125也被形成在光导1101的顶侧1145和底侧1146中。沿着边缘1126、1127和侧部1145、1146的外凹槽1125与框架(未示出)的脊配合，以便将光导1101保持固定在框架中，如图1的框架110中所示。在图11中，光导1101还包括一个或多个特征，例如进入或穿过光导101的一个或多个通道1147，所述一个或多个通道1147用于接收紧固件(未示出)，以将显示器壳体(未示出)和显示器105保持在顶侧1145处的固定的位置和取向。

图12示出了根据一些实施例的位于图1和2中所示的框架110中的两个光导1201-1、1201-2的俯视图1200。光导1201-1、1201-2被布置成双目布置，每一个眼睛一个光导，这有助于正确观看3D和AR内容。第一(右)光导1201-1位于第一(右)眼睛331和第一(右)瞳孔332的前方。第二(左)光导1201-2位于第二(左)眼睛1207和第二(左)瞳孔1208的前方。光导1201-1、1201-2中的每一个光导在其一个或多个边缘中包括一个或多个凹槽1209，用于与框架110(为了清楚起见未示出)交接。例如，在每一个光导1201-1、1201-2的外边缘1226和内边缘1227中存在凹槽1209。在每一个光导1201-1、1201-2的眼睛侧表面中可见的是开口1210，该开口1210对应于光导301的零件之间的凹部的后侧，如包括图3和图4在内的其他图中所示。在一些实施例中，透明壳601位于每一个光导1201-1、1201-2的世界侧上。在每一个光导1201-1、1201-2中形成一个或多个通道，以有助于将某些元件固接于光导。用于接收来自显示器(未示出)的显示光的顶表面445位于每一个光导1201-1、1201-2的顶边缘的中心位置处。

光导1201-1、1201-2位于离中心轴1211相等的距离处，如每一个眼睛331、1207的相应视觉轴1213所证明。每一个光导1201-1、1201-2中的组合器孔302的中心1202相对于相应的眼睛331、1207位于第一包角1203处。第一包角1203大于每一个光导1201-1、1201-2的第二包角1212，其中第二包角1212相对于从相应光导1201-1、1201-2的前表面获得的法线。例如，第一包角1203为约7度，而第二包角1212为约0.9度。IPD 1206在每一个眼睛331、1207的视觉轴之间为约63毫米。基于约4毫米的瞳孔尺寸1214，每一个组合器孔302包括相对于且用于第一眼睛331和第二眼睛1207的每一个瞳孔332、1208的约5度的竖直场尺寸1204和约34度的总水平场尺寸1205。由于图像偏移和各种部件的几何形状，对于3:1纵横比的显示器305，所得AR图像1001在组合器表面317处的FOV为约15度×5度，并且对于8:1纵横比的显示器305，为约20度×2.5度。总的来说，每一个组合器表面317上的总水平FOV(HFOV)1205为约34度，其中鼻侧宽度为约17度并且镜腿侧宽度为约另一个17度。双目重叠为约34度。

图13示出了根据一些实施例的组装好的眼部佩戴设备1300的透视剖视图。设备1300示出了框架110的世界侧部1301和眼睛侧部1302。设备1300的一个或多个部件被安装在框架110的顶部的大体五面体形状的隔室1304内。可替代地，中空隔室1304被描述为具有拱形内部的腔，其中侧部或表面被成形为有助于在其中安装各种部件。在一些实施例中，隔室1304中的部件包括显示器305、封装1106、场透镜307和反射镜309中的一个或多个。当被用户佩戴时，隔室1304位于装置的光轴的上方。

这些和其他部件中的两个或更多个被组装成一个单元，然后在组装期间该单元被安装在框架110的内部，以创建成品眼部佩戴设备1300。为了在组装期间方便，这些组装单元的内容可能有各种组合。作为一个示例，场透镜307与光导301一起被组装并密封。在另一个示例中，场透镜307、显示器305、封装1106和反射镜309被组装在一起作为单元，然后被放置或形成在隔室1304的内部。隔室1304和框架110被成形为具有一个或多个脊或轮廓，以便将组装好的单元接收并牢固地保持就位。就部件的布置而言，如图所示，显示器305和封装1106被安装成抵靠在框架110的世界侧部1301和隔室1304上。封装1106包括为显示器305的发光元件(未示出)供电并启用显示器305的发光元件的各种电子部件。

反射镜309被安装在隔室1304的眼睛侧部1302上。反射镜309包括反射表面1305。显示器305被定向成将从显示器305发射的光导向设备1300的眼睛侧和反射镜309。在该取向上，利用大致封闭的隔室1304，设备1300避免了光除了通过光导301内部1303之外还泄漏到框架110的外部。设备1300因此维持普通眼部佩戴物的外观。至少反射镜309的反射表面1305相对于显示器305和场透镜307被定向成将光反射到场透镜307的第一表面1306中、反射出第二表面1307并反射到光导301的内部1303中。在设备1300的一些实施例中，不使用场透镜307。在其他实施例中，场透镜307与反射镜309组合或耦合，使得单个反射器部件代替所示的反射镜309且不损失设备1300的任何功能。以这种方式，场透镜307将不会表现为其自身的单独部件，并且因此在考虑组装设备1300的多个部件时将是可选的部件。

光导301的内部1303在世界侧表面313与眼睛侧表面315之间。容纳各种部件的框架110的顶部具有至多4毫米的厚度133，其中一些实施例具有3.5毫米或更小的厚度133，这取决于一个或多个因素，例如显示器305的像素尺寸、显示器305中的像素数量以及显示器305、封装1106、场透镜307和反射镜309中的一个或多个的空间尺寸。

为了实现期望的最小化的竖直厚度133，考虑了多个因素。例如，没有特定顺序地，选择显示器305与反射镜309之间的第一取向角度。该第一角度与反射镜309与场透镜307之间的第二取向角度相协调。第一取向角度和第二取向角度以及部件305、307、309的物理布置与场透镜307的一个或两个表面1306、1307的取向相协调，以便将显示光在光导301的顶边缘处以期望的取向和期望的放大率导入光导301中。此外，还考虑了世界侧表面313和眼睛侧表面315的取向和曲率，以便传递期望的AR图像，如关于组合器102以及组合器102相对于用户眼睛的位置的其他图中所示。

在一些实施例中，在隔室1304的内部的部件的一个或多个表面由紧固件或粘合剂直接安装抵靠在隔室1304的内表面上。当以这种方式固连时，该部件相对于设备1300中的其他部件和光导301维持其位置。在一些实施例中，多个部件305、307、309、1106在作为单元被组装到框架110的隔室1304中之前被组装在一起，从而在设备1300的许多副本的制造期间提供相对于彼此更一致的取向。

图14示出了根据一些实施例的眼部佩戴设备1400的透视剖视图。设备1400包括图13的设备1300的部件的替代布置。设备1400示出了框架110的世界侧部1301和眼睛侧部1302。设备1400的部件被安装在框架110的顶部的大致五面体形状的隔室1304内。隔室1304是框架110中的第一隔室。设备1400的部件包括显示器305、封装1106、场透镜307和反射镜309。显示器305和封装1106沿着框架110的眼睛侧部1302和隔室1304被安装成抵靠在支持结构1401上。在支持结构1405与框架110的外部之间形成第二隔室1401，在该第二隔室1401中定位有组装结构1402。组装结构1402被安装到封装1106和显示器305，例如通过使用穿过支持结构1405的一个或多个紧固件来安装，或者以其他方式通过封装1106的燕尾榫或其他机械特征与本领域技术人员所使用的支持结构的机械特征互锁。在一些实施例中，支持结构1405被形成在框架110中并且由与框架110相同的材料形成。支持结构1405的其他形状和尺寸也是可能的，这取决于要结合到眼部佩戴设备1400中的部件的最终形状。在一些实施例中，封装1106、显示器305、场透镜307和反射镜309中的两个或更多个被形成为用于放置在隔室1304中的组装单元，并且例如通过组装结构1402来固连该组装单元。当隔室1304、1401中的一个或多个被密封时，敏感的电子器件可以被放置在其中，并且例如在组装、搬运和最终用户操作期间被保护免受灰尘和接触。

就部件的取向而言，反射镜309相对于隔室1304被安装在框架110的世界侧部1301上。反射镜309包括反射表面。显示器305被定向成将从显示器305发射的光导向设备1400的世界侧1301和反射镜309。在该取向上，利用大致封闭的隔室1304，设备1400避免了光除了通过光导301的内部1403之外还泄漏到设备1400的外部。设备1400因此维持普通眼部佩戴物的外观。此外，在光导301上方的框架110的厚度133保持最小或至少与普通眼部佩戴物的尺寸相似。至少反射镜309的反射表面相对于显示器305和场透镜307被定向，以便将光反射到场透镜307的第一表面中、反射出场透镜307的下部第二表面并反射到光导301的内部1403中。在设备1400的一些实施例中，不使用场透镜307。在其他实施例中，场透镜307与反射镜309组合或耦合，使得单个反射器部件代替所示的反射镜309且不损失设备1400的任何功能。以这种方式，场透镜307将不会表现为其自身的单独部件，并且因此在考虑组装设备1400的多个部件时将是可选的部件。

光导301的内部1403在世界侧表面313与眼睛侧表面315之间。容纳各种部件的框架110的顶部具有至多4毫米的厚度133，其中一些实施例具有3.5毫米或更小的厚度133，这取决于一个或多个因素，例如显示器305的像素尺寸、显示器305中的像素数量以及显示器305、封装1106、场透镜307和反射镜309中的一个或多个的空间尺寸。

为了实现期望的最小化的竖直厚度133，考虑了多个因素。例如，没有特定顺序地，选择显示器305与反射镜309之间的第一取向角度。该第一角度与反射镜309与场透镜307之间的第二取向角度相协调。第一取向角度和第二取向角度以及部件305、307、309的物理布置与场透镜307的一个或两个表面1306、1307的取向相协调，以便将显示光在光导301的顶边缘处以期望的取向和期望的放大率导入光导301的内部1403中。此外，还考虑了世界侧表面313和眼睛侧表面315的取向和曲率，以便传递期望的AR图像，如中关于组合器102以及组合器102相对于用户眼睛的位置的其他图中所示。

在一些实施例中，上述技术的某些方面可以由执行软件的处理系统的一个或多个处理器来实施，以便为眼部佩戴物中的显示器生成信号，由此该信号使显示器提供最终是用户眼睛可观看的基于AR的图像的光。该信号可以由软件生成，该软件包括被存储或以其他方式有形地体现在非暂时性计算机可读存储介质上的一组或多组可执行指令。软件包括指令和某些数据，当由一个或多个处理器执行时，这些指令和数据操纵一个或多个处理器来执行上述技术的一个或多个方面，包括操作在眼部佩戴设备的内部的显示器。非暂时性计算机可读存储介质包括例如磁盘或光盘存储设备、固态存储设备如闪存、高速缓存、随机存取存储器(RAM)或一个或多个其他非易失性存储设备等。存储在非暂时性计算机可读存储介质上的可执行指令可以是源代码、汇编语言代码、目标代码或由一个或多个处理器解释或以其他方式可执行的其他指令格式。

注意，在一般描述中所描述的所有活动或元素并不是都是必需的，可能不需要特定活动或设备的一部分，并且除了所描述的那些之外，还可以执行一个或多个其他活动或所包括的元素。此外，列出活动的顺序不一定必需是执行它们的顺序。此外，已经参考具体实施例描述了这些概念。然而，在不脱离如所附权利要求中所阐述的本公开的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。因此，说明书和附图被认为是说明性的，而不是限制性的，并且所有这些修改都旨在被包括在本公开的范围内。

上文已经针对具体实施例描述了益处、其他优点以及问题的解决方案。益处、优点、问题的解决方案以及可能导致任何益处、优点或解决方案出现或变得更加显著的任何特征不应被解释为任何或所有权利要求的关键、必需或必要的特征。此外，上文公开的特定实施例仅是说明性的，因为所公开的主题可以以不同但等效的方式进行修改和实践，这对受益于本文中的教导的本领域技术人员来说是显而易见的。除了在所附权利要求中描述的内容以外，不旨在对本文中所示的构造或设计的细节进行限制。因此，显而易见的是，上文公开的特定实施例可以被改变或修改，并且所有这些变化都被认为在所公开的主题的范围内。因此，本文中所寻求的保护在所附权利要求中阐述。