BR112013009826B1

BR112013009826B1 - aparelho de visualização montado na cabeça que concretiza uma ou mais superfícies ópticas refletivas

Info

Publication number: BR112013009826B1
Application number: BR112013009826-0A
Authority: BR
Inventors: Gregory A. Harrison; David Alan Smith; Gary E. Wiese
Original assignee: Lockheed Martin Corporation
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2021-01-26
Also published as: CA2815447A1; JP6262530B2; EP2630540A2; AU2011319479A1; US20120120499A1; US8625200B2; MX349190B; JP2014500518A; CA2815447C; WO2012052979A3; WO2012052979A2; MX2013004455A; AU2011319479B2; BR112013009826A2

Abstract

APARELHO DE VISUALIZAÇÃO MONTADO NA CABEÇA QUE CONCRETIZA UMA OU MAIS SUPERFÍCIES ÓPTICAS REFLETIVAS. São descritos visores montados na cabeça (100) que incluem uma armação (107), um sistema de visualização de imagem (110) sustentado pela armação (107), e uma superfície refletiva, por exemplo, uma superfície óptica refletiva de ângulo ultra-amplo e de espaço livre (superfície FS/UWA/RO) (120), sustentada pela armação (107). Em certas concretizações, a superfície refletiva (120) produz imagens virtuais espacialmente separadas que são angularmente separadas em pelo menos 100, 150 ou 200 graus. São também descritos métodos e um aparelho para projetar superfícies ópticas refletivas, incluindo superfícies ópticas refletivas, incluindo superfícies FS/UWA/RO, para uso em visores montados na cabeça (100).

Description

APARELHO DE VISUALIZAÇÃO MONTADO NA CABEÇA QUE CONCRETIZA UMA OU MAIS SUPERFÍCIES ÓPTICAS REFLETIVAS

Referência Cruzada aos Pedidos Relacionados

[001] Este pedido reivindica prioridade ao Pedido U.S. N°. 13/211.372, depositado em 17 de agosto de 2011, e ao Pedido Provisório U.S. N°. 61/405.440 (intitulado VISOR MONTADO NA CABEÇA, depositado em 21 de outubro de 2010), ao Pedido Provisório U.S. N°. 61/417.325 (intitulado ARQUITETURA FRESNEL EMPILHADA CURVA, depositado em 26 de novembro de 2010), ao Pedido Provisório U.S. N°. 61/417.326 (intitulado ARQUITETURA DE DIVISOR DE FEIXE CURVO depositado em 26 de novembro de 2010), ao Pedido Provisório U.S. N°. 61/417.327 (intitulado ARQUITETURA COMBINADA DE LENTE FRESNEL E DIVISOR DE FEIXE PLANO, depositado em 26 de novembro de 2010), ao Pedido Provisório U.S. N°. 61/417.328 (intitulado ARQUITETURA COMBINADA DE LENTE FRESNEL E DIVISOR DE FEIXE CURVO, depositado em 26 de novembro de 2010), e Pedido Provisório U.S. N°. 61/427.530 (intitulado ESPELHO CURVO PARA VISOR MONTADO NA CABEÇA, depositado de 28 de dezembro de 2010, que são aqui incorporados para referência em sua totalidade.

Campo

[002] Esta descrição se refere a um aparelho de visualização montado na cabeça que emprega uma ou mais superfícies ópticas re-fletivas, por exemplo, uma ou mais superfícies ópticas refletivas de ângulo ultra-amplo e de espaço livre (adiante abreviadas como "superfícies "FS/UWA/RO"). Mais particularmente, a descrição se refere a um aparelho de visualização montado na cabeça em que superfícies ópticas refletivas, tais como superfícies FS/UWA/RO, são empregadas para exibir imagens de um sistema de visualização de emissão de luz mantido nas proximidades a um olho do usuário.

Antecedentes

[003] Um visor montado na cabeça, tal como um visor montado em um capacete ou um visor montado em um óculos (abreviado aqui como "HMD"), é um dispositivo de visualização usado na cabeça de um indivíduo, que apresenta um ou mais dispositivos de visualização pequenos localizados perto de um olho ou, mais comumente, de ambos os olhos do usuário. A Figura 1 mostra os elementos básicos de um tipo de HMD que inclui um visor 11, uma superfície óptica refletiva 13, e um olho 15 apresentando um centro de rotação 17. Conforme mostrado nesta figura, a luz 19 do visor 11 é refletida pela superfície 13 e entra no olho do usuário 15.

[004] Alguns HMDs exibem apenas imagens (geradas por computador) simuladas, conforme opostas a imagens do mundo real, e, consequentemente, são geralmente referidas como "realidade virtual" ou HMDs imersivos. Outros HMDs sobrepõem (combinam) uma imagem simulada sobre uma imagem não simulada do mundo real. A combinação de imagens não simuladas e simuladas permite que o usuário de HMD visualize o mundo, por exemplo, através de um visor ou um óculos em que dados adicionais relevantes à tarefa a ser executada são sobrepostos sobre no campo de visão (FOV) dianteiro do usuário. Esta superposição é, às vezes, referida como "realidade aumentada" ou "realidade mista".

[005] A combinação de uma visão não simulada do mundo real com uma imagem simulada pode ser obtida usando uma superfície óptica parcialmente refletiva/parcialmente transmissiva (um "divisor de feixes") onde a refletividade da superfície é usada para exibir a imagem simulada como uma imagem virtual (no sentido óptico) e a trans-missividade da superfície é usada para permitir que o usuário visualize o mundo real diretamente (referido domo "sistema óptico diáfano"). A combinação de uma visão do mundo real com uma imagem simulada pode também ser feita eletronicamente em aceitando um vídeo de uma visão do mundo real proveniente de uma câmera e o mesclando eletronicamente com uma imagem simulada usando um combinador (referido como "sistema de vídeo diáfano"). A imagem combinada pode ser então apresentada ao usuário como uma imagem virtual (no sentido óptico) por meio de uma superfície óptica refletiva, que, neste caso, não precisa ter propriedades transmissivas.

[006] A partir do antecedente, pode ser visto que as superfícies ópticas refletivas podem ser usadas em HMDs que proveem o usuário com: (i) uma combinação de uma imagem simulada e uma imagem não simulada do mundo real, (ii) uma combinação de uma imagem simulada e uma imagem de vídeo do mundo real, ou (iii) imagens puramente simuladas. (O último caso é geralmente referido como um sistema "imersivo".) Em cada destes casos, a superfície óptica refletiva produz uma imagem virtual (no sentido óptico) que é visualizada pelo usuário. Historicamente, tais superfícies ópticas refletivas eram parte de sistemas ópticos cujas pupilas de saída substancialmente limitavam não apenas o campo de visão dinâmico disponível ao usuário, mas também o campo de visão estático. Especificamente, para ver a imagem produzida pelo sistema óptico, o usuário precisava alinhar seu olho com a pupila de saída do sistema óptico e mantê-lo assim alinhado, e mesmo depois, a imagem visível ao usuário não cobria todo o campo de visão estático, isto é, os sistemas ópticos anteriores usados nos HMDs que empregavam superfícies ópticas refletivas eram parte de sistemas de formação de pupila e, portanto, eram limitados à pupila de saída.

[007] A razão pela qual os sistemas eram assim limitados está no fato fundamental de que o campo de visão humano é notavelmente grande. Desse modo, o campo de visão estático de um olho humano, incluindo a visão tanto foveal quanto periférica do olho, está na ordem de ~150° na direção horizontal e na ordem de ~130° na direção vertical. (Para fins desta descrição, 150 graus serão usados como o campo de visão estático avante de um olho humano nominal.) Os sistemas ópticos bem corrigidos apresentando pupilas de saída capazes de acomodarem tal campo de visão estático grande são muito poucos, e, quando existem, têm um alto custo e são volumosos.

[008] Ademais, o campo de visão operacional do olho humano (campo de visão dinâmico) é ainda maior, uma vez que o olho pode girar em torno de seu centro de rotação, isto é, o cérebro humano pode mirar no campo de visão foveal + periférico do olho humano em diferentes direções com a mudança da direção do olhar do olho. Para um olho nominal, a faixa de movimento vertical está na ordem de ~40° em cima e ~60° embaixo e a faixa de movimento horizontal está na ordem de ± ~50° avante. Para uma pupila de saída do tamanho produzido pelos tipos de sistemas ópticos anteriormente usados em HMDs, mesmo uma pequena rotação do olho reduziria substancialmente a sobreposição que houvesse entre o campo de visão estático do olho e a pupila de saída, e rotações maiores fariam a imagem desaparecer por completo. Embora teoricamente possível, uma pupila de saída que se movesse em sincronia com o olho do usuário seria impraticável e teria um custo proibitivamente alto.

[009] Em vista destas propriedades do olho humano, há três campos de visão que são relevantes em termos de prover um sistema óptico que permita que um usuário visualize uma imagem gerada por um sistema de visualização de imagem da mesma maneira que ele visualizaria o mundo natural. O menor dos campos de visão é aquele definido pela habilidade do usuário de girar seu olho e, portanto, de varrer sua fóvea além do mundo externo. A rotação máxima está na ordem de ± 50° avante, de modo que o campo de visão (o campo de visão dinâmico foveal) seja aproximadamente de 100°. O meio dos três campos de visão é o campo de visão estático avante e inclui a visão tanto foveal quanto periférica do usuário. Conforme discutido acima, este campo de visão (o campo de visão estático foveal + periférico) está na ordem de 150°. O maior dos três campos de visão é aquele definido pela habilidade do usuário de girar seu olho e, portanto, de varrer sua visão foveal + periférica além do mundo externo. Com base em uma rotação máxima na ordem de ± 50° e um campo de visão estático foveal + periférico na ordem de 150°, este maior campo de visão (campo de visão dinâmico foveal + periférico) está na ordem de 200°. Esta crescente escala de campos de visão de pelo menos 100 graus a pelo menos 150 graus e então a pelo menos 200 graus provê benefícios correspondentes ao usuário em termos de sua habilidade para visualizar imagens geradas por um sistema de visualização de imagem em uma maneira intuitiva e natural.

[0010] Existe, portanto, a necessidade de visores montados na cabeça que apresentem uma compatibilidade aperfeiçoada com o campo de visão, tanto estático quanto dinâmico, do olho humano. A presente descrição é dirigida a esta necessidade e provê visores montados na cabeça que empregam superfícies ópticas refletivas que proveem um ângulo de visão ultra-amplo.

Definições

[0011] No restante desta descrição e nas reivindicações, a locução "imagem virtual" é usada em seu sentido óptico, isto é, uma imagem virtual é uma imagem que é percebida como se originando de um local específico onde, de fato, a luz que é percebida não se origina desse local.

[0012] Uma superfície FS/UWA/RO é referida aqui como uma superfície de "espaço livre" porque suas posições espaciais locais, curvaturas de superfície locais, e orientações de superfície locais não são vinculadas a um substrato específico, tal como o plano x-y, mas, em vez disso, durante o design da superfície, são determinadas usando princípios ópticos fundamentais (por exemplo, o princípio do menor tempo de Fermat e Hero) aplicado no espaço tridimensional.

[0013] A superfície FS/UWA/RO é referida como uma superfície de "ângulo ultra-amplo" porque, durante o uso, em um mínimo, ela não limita o campo de visão foveal dinâmico do olho de um usuário nominal. Assim, dependendo das propriedades ópticas dos componentes ópticos opcionais que podem ser usados com a superfície de "ângulo ultra-amplo", por exemplo, um sistema de lente de Fresnel, todo o sistema óptico do HMD pode ser sistemas ópticos de formação de não pupila, isto é, diferentes dos convencionais que apresentem uma pupila de saída que limita o campo de visão do usuário, a pupila operativa para várias concretizações dos sistemas ópticos descritos aqui sendo a pupila de entrada do olho do usuário, conforme oposta àquela associada com o sistema óptico externo. Concomitantemente, para estas concretizações, o campo de visão provido para o usuário será muito maior do que os sistemas ópticos convencionais onde até mesmo um pequeno desalinhamento do olho do usuário com a pupila de saída do sistema óptico externo pode substancialmente reduzir o conteúdo de informação disponível para o usuário e um maior desalinhamento pode fazer com que toda a imagem desapareça.

[0014] Por toda esta descrição, as seguintes locuções/termos terão os seguintes significados/escopo:

(1) A locução "superfície óptica refletiva" (também referida aqui como uma "superfície refletiva") irá incluir superfícies que são apenas refletivas, bem como superfícies que são tanto refletivas quanto transmissivas. Em cada caso, a refletividade poderá ser apenas parcial, isto é, parte da luz incidente pode ser transmitida através da superfície. Do mesmo modo, quando a superfície for tanto refletiva quanto transmissiva, a refletividade e/ou a transmissividade poderão ser parciais. Conforme discutido abaixo, uma única superfície óptica refletiva poderá ser usada para ambos os olhos ou cada olho poderá ter sua própria superfície óptica refletiva individual. Outras variações incluem o uso de múltiplas superfícies ópticas refletivas para ambos os olhos ou individualmente para cada olho. Combinações de mesclar e associar poderão ser também usadas, por exemplo, uma única superfície óptica refletiva poderá ser usada para um olho e múltiplas superfícies ópticas refletivas para o outro olho. Como uma alternativa adicional, uma ou múltiplas superfícies ópticas refletivas poderão ser providas para um único olho do usuário. As reivindicações apresentadas abaixo se destinam a cobrir estas e outras aplicações das superfícies ópticas refletivas descritas aqui. Em particular, cada reivindicação que exige uma superfície óptica refletiva se destina a cobrir o aparelho de visualização montado na cabeça que inclui uma ou mais superfícies ópticas refletivas do tipo especificado.
(2) A locução "um sistema de visualização de imagem apresentando pelo menos uma superfície de emissão de luz" é usada geralmente como incluindo qualquer sistema de visualização apresentando uma superfície que emite luz, seja por transmissão de luz através da superfície, por geração de luz na superfície (por exemplo, por um arranjo de LEDs), por reflexão da superfície de luz de outra fonte, ou semelhante. O sistema de visualização de imagem pode empregar um ou múltiplos dispositivos de visualização de imagem, por exemplo, um ou múltiplos arranjos de LEDs e/ou LCDs. Como com superfícies ópticas refletivas, um determinado aparelho de visualização montado na cabeça pode incorporar um ou mais sistemas de visualização de imagem para um ou ambos os olhos do usuário. Novamente, cada das reivindicações apresentadas abaixo que exige um sistema de visualização de imagem se destina a cobrir o aparelho de visualização montado na cabeça que inclui um ou mais sistemas de visualização de imagem do tipo especificado.
(3) A locução "visor binocular" indica um aparelho que inclui pelo menos um elemento óptico separado (por exemplo, um dispositivo de visualização e/ou uma superfície óptica refletiva) para cada olho.
(4) A locução "campo de visão" e sua abreviação FOV se referem ao campo de visão "aparente" no espaço de imagem (olho), conforme oposto ao campo de visão "real" no espaço de objeto (isto é, visor).

Sumário

[0015] De acordo com um primeiro aspecto, é descrito um aparelho de visualização montado na cabeça (100) que inclui:

(I) uma armação (107) adaptada para ser montada na cabeça de um usuário (105);
(II) um sistema de visualização de imagem (110) sustentado pela armação (107) (por exemplo, a armação sustenta o sistema de visualização de imagem em uma localização fixação que, durante o uso do HMD, está fora do campo de visão do usuário); e
(III) uma superfície óptica refletiva (120) sustentada pela armação (107), a superfície óptica refletiva (120) sendo uma superfície contínua que não é giratoriamente simétrica em torno de nenhum eixo de coordenadas de um sistema de coordenadas Cartesiano tridimensional (por exemplo, a superfície óptica refletiva pode ser uma superfície óptica refletiva de ângulo ultra-amplo e de espaço livre (120) que não é giratoriamente simétrica (não é uma superfície de revolução) em torno dos eixos x, y ou z de um sistema de coordenadas Cartesiano tridimensional apresentando uma origem arbitrária);

[0016] onde

(a) o sistema de visualização de imagem (110) inclui pelo menos uma superfície de emissão de luz (81);
(b) durante o uso, a superfície óptica refletiva (120) produz imagens virtuais espacialmente separadas de porções espacialmente separadas de pelo menos uma superfície de emissão de luz (81), pelo menos uma das imagens virtuais espacialmente separadas sendo angularmente separada de pelo menos uma outra das imagens virtuais espacialmente separadas em pelo menos 100 graus, a separação angular sendo medida a partir de um centro de rotação (17) do olho de um usuário nominal (15); e
(c) durante o uso, pelo menos um ponto da superfície óptica refletiva (120) é angularmente separado de pelo menos outro ponto da superfície óptica refletiva (120) em pelo menos 100 graus, a dita separação angular sendo medida a partir do centro de rotação (17) do olho de um usuário (15).

[0017] De acordo com um segundo aspecto, é descrito um aparelho de visualização montado na cabeça (100) que inclui:

(I) uma armação (107) adaptada para ser montada na cabeça de um usuário (105);
(II) um sistema de visualização de imagem (110) sustentado pela armação (107) (por exemplo, a armação sustenta o sistema de visualização de imagem em uma localização fixação que, durante o uso do HMD, está fora do campo de visão do usuário); e
(III) uma superfície óptica refletiva de ângulo ultra-amplo e de espaço livre (120) sustentada pela armação (107);

[0018] onde

(a) o sistema de visualização de imagem (110) inclui pelo menos uma superfície de emissão de luz (81);
(b) durante o suo, a superfície óptica refletiva de ângulo ultra-amplo e de espaço livre (120) produz imagens virtuais espacialmente separadas de porções espacialmente separadas de pelo menos uma superfície de emissão de luz (81), pelo menos uma das imagens virtuais espacialmente separadas sendo angularmente separada de pelo menos uma outra das imagens virtuais espacialmente separadas em pelo menos 100 graus, a separação angular sendo medida a partir de um centro de rotação (17) do olho de um usuário nominal (15).

[0019] De acordo com um terceiro aspecto, é descrito um aparelho de visualização montado na cabeça (100) que inclui:

(I) uma armação (107) adaptada para ser montada na cabeça de um usuário (105);
(II) um sistema de visualização de imagem (110) sustentado pela armação (107); e
(III) uma superfície refletiva (120) sustentada pela armação (107), a superfície refletiva (120) provendo um campo de visão para um usuário nominal de pelo menos 200°;

[0020] onde:
(a) o sistema de visualização de imagem (110) inclui pelo menos uma superfície de emissão de luz (81) que inclui pelo menos uma primeira e uma segunda regiões de emissão de luz espacialmente separadas (82, 83) apresentando, respectivamente, um primeiro e um segundo conteúdos de informação;
(b) a superfície refletiva (120) compreende pelo menos uma primeira e uma segunda regiões refletivas espacialmente separadas (84, 86) apresentando, respectivamente, um primeiro e um segundo normais de superfície (85, 87) que apontam em diferentes direções; e
(c) a armação (107) sustenta o sistema de visualização de imagem (110) e a superfície refletiva (120), de modo que, durante o uso do aparelho por um usuário nominal:

(i) por pelo menos uma direção do olhar (na direção 88 na Figura 8) de um olho (71) do usuário nominal, a luz da primeira região de emissão de luz (82) reflita da primeira região refletiva (84) e entre no dito olho (71) para formar uma imagem virtual visível (88) do primeiro conteúdo de informação (isto é, há uma direção do olhar em que um usuário nominal pode ver o primeiro conteúdo de informação (e, opcionalmente, o segundo conteúdo de informação));
(ii) por pelo menos uma direção do olhar (na direção 89 na Figura 8) do dito olho (71), a luz da segunda região de emissão de luz (83) reflita a segunda região refletiva (86) e entre no dito olho (71) para formar uma imagem virtual visível (89) do segundo conteúdo de informação (isto é, há uma direção do olhar onde o usuário nominal pode ver o segundo conteúdo de informação (e, opcionalmente, o primeiro conteúdo de informação)); e
(iii) por pelo menos uma direção do olhar (uma direção do olha para a direita de 88 na Figura 89) do dito olho (71), a luz da primeira região de emissão de luz (82) reflita da primeira região refletiva (84) e entre no dito olho (71) para formar uma imagem virtual visível (88) do primeiro conteúdo de informação e a luz da segunda região de emissão de luz (83) reflita da segunda região refletiva (86) e não entre no dito olho (71) e não forme uma imagem virtual visível do segundo conteúdo de informação (isto é, há uma direção do olhar onde o usuário nominal pode ver o primeiro conteúdo de informação, mas não pode ver o segundo conteúdo de informação com a visão foveal ou periférica do usuário nominal).

[0021] De acordo com um quarto aspecto, é descrito um método baseado em computador para projetar uma superfície óptica refletiva (120), que pode ser ou não uma superfície FS/UWA/RO, para uso em um visor montado na cabeça (100) que inclui um sistema de visualização de imagem (110) que, durante o uso do visor montado na cabeça (100), apresenta uma pluralidade de áreas de conteúdo (82, 83) (por exemplo, uma pluralidade de pixels individuais ou uma pluralidade de agrupamentos de pixels individuais), o método incluindo o uso de um ou mais computadores para executar as etapas de:
(a) dividir a superfície óptica refletiva (120) em uma plurali-dade de regiões refletivas locais (84, 86), cada região refletiva local apresentando um normal de superfície (85, 87) (por exemplo, um normal de superfície no centro da região refletiva local);
(b) associar cada região refletiva local (84, 86) da superfície óptica refletiva (120) com uma e apenas uma área de conteúdo (82, 83) do sistema de visualização de imagem (110), cada área de conteúdo (82, 83) sendo associada com pelo menos uma região refletiva local (84, 86); e
(c) ajustar a configuração da superfície óptica refletiva (120) (por exemplo, ajustando a localização espacial local e/ou a curvatura local da superfície) de modo que cada dos normais de superfície (85, 86) divida os dois vetores seguintes em duas partes:

(1) um vetor (77, 78) da região refletiva local (84, 86) (por exemplo, do centro da região refletiva local) para sua área de conteúdo associado (82, 83) (por exemplo, para o centro de sua área de conteúdo associado); e
(2) um vetor (79, 80) da região refletiva local (84, 86) (por exemplo, do centro da região refletiva local) para a localização de um centro de rotação (72) do olho (71) de um usuário nominal durante o uso do aparelho de visualização montado na cabeça (100).

[0022] Em certas concretizações dos aspectos acima da descrição, uma superfície refletiva separada e/ou um sistema de visualização de imagem separado é usado para cada dos olhos do usuário. Em outras concretizações, a superfície óptica refletiva, seja sozinha ou em combinação com outros componentes ópticos (por exemplo, uma ou mais lentes de Fresnel), colima (ou substancialmente colima) a luz do sistema de visualização de imagem, de tal modo que a colimação seja alcançada através dos raios de curvatura locais da superfície.

[0023] Em várias concretizações, o aparelho HMD pode prover o usuário com um campo de visão dinâmico foveal total, um campo de visão estático foveal + periférico, ou um campo de visão dinâmico foveal + periférico total.

[0024] Em várias concretizações, o aparelho HMD por ser um sistema de formação de não pupila binocular em que o olho é livre para se mover em torno de seu centro de rolamento por todas as suas extensões angulares normalmente obtidas sem ficar limitado para olhar através de uma pupila externa. Os dispositivos HMD anteriores alegavam que eles tinham ou podiam um amplo campo de visão, mas estes dispositivos incluíam uma pupila externa através da qual o olho tem que olhar. Embora haja uma ampla quantidade de informações provida para o olho, se o olho girar, a informação se esvairá. Este é um problema fundamental com os sistemas de formação de pupila que é evitado nas concretizações da presente descrição que empregam superfícies refletivas e, em particular, superfícies FS/UWA/RO.

[0025] Os números de referência usados nos sumários acima dos aspectos da invenção (cujos números de referência são representativos e nem todos inclusivos ou exaustivos) são apenas para conveniência do leitor e não se destinam a ser e não devem ser interpretados como limitando o escopo da invenção. Em termos mais gerais, será entendido que tanto a descrição geral anterior quando a seguinte descrição detalhada são meramente exemplificativas da invenção e se destinam a prover uma visão geral ou uma estrutura para o entendimento da natureza e caráter da invenção.

[0026] Características e vantagens adicionais da invenção são apresentadas na seguinte descrição detalhada, e ficarão, em parte, prontamente evidentes àqueles versados na técnica a partir dessa descrição ou serão reconhecidas com a prática da invenção, conforme exemplificada pela descrição aqui. Os desenhos anexos são incluídos para prover um entendimento adicional da invenção, e são incorporados e constituem uma parte desta especificação. Será entendido que as várias características da invenção descritas nesta especificação e nos desenhos podem ser usadas em qualquer e em todas as combinações.

Breve Descrição dos Desenhos

[0027] A Figura 1 é um diagrama esquemático que mostra os componentes básicos de um HMD, isto é, um visor, uma superfície refletiva, e o olho de um usuário.

[0028] A Figura 2 é uma representação em vista lateral de um aparelho de visualização montado na cabeça de acordo com uma concretização exemplificativa.

[0029] A Figura 3 é uma representação em vista frontal do aparelho de visualização montado na cabeça da Figura 2.

[0030] A Figura 4 é um diagrama de raio que ilustra os percursos de luz em um aparelho de visualização montado na cabeça a partir tanto de um visor quanto de um objeto externo de acordo com uma concretização exemplificativa.

[0031] A Figura 5 é um diagrama de raio que ilustra uma concretização exemplificativa que emprega um visor curvo e um refletor curvo.

[0032] A Figura 6 é uma vista de topo de um aparelho de visualização montado na cabeça que ilustra o uso de duas superfícies ópticas refletivas curvas correspondendo aos dois olhos de um usuário de acordo com uma concretização exemplificativa.

[0033] A Figura 7 é um diagrama esquemático que ilustra um campo de visão estático do olho de um usuário para uma direção do olhar avante.

[0034] A Figura 8 é um diagrama esquemático que ilustra a interação entre o campo de visão estático da Figura 7 com uma superfície FS/UWA/RO de acordo com uma concretização ilustrativa. As setas na Figura 8 ilustram direções de propagação de luz.

[0035] A Figura 9 é um diagrama de raio que ilustra um percurso de luz de um determinado pixel em um visor na medida em que é refletido na direção de um olho de acordo com uma concretização ilustrativa.

[0036] A Figura 10 é um diagrama de raio que ilustra percursos de luz de dois pixels em um visor na medida em que eles são refletidos na direção de um olho de acordo com uma concretização exemplificativa.

[0037] A Figura 11 é um diagrama que ilustra variáveis usadas na seleção da direção do normal local de um refletor de acordo com uma concretização exemplificativa.

[0038] A Figura 12 é uma representação de um refletor curvo ao longo de percursos de luz de acordo com uma concretização exemplificativa.

[0039] As Figuras 13 e 14 ilustram, a partir de duas perspectivas, uma superfície FS/UWA/RO de acordo com uma concretização exemplificativa.

[0040] As Figuras 15 e 16 ilustram, a partir de duas perspectivas, outra superfície FS/UWA.RO de acordo com uma concretização exemplificativa.

[0041] A Figura 17 é um diagrama esquemático que ilustra a geometria para calcular um normal local em uma superfície refletiva de acordo com uma concretização exemplificativa.

Descrição Detalhada

[0042] As Figuras 2 e 3 são, respectivamente, uma vista lateral e uma vista frontal de um aparelho de visualização montado na cabeça 100 mostrado sendo usado por um usuário 105. O aparelho de visualização montado na cabeça emprega uma superfície FS/UWA/RO 120.

[0043] Em uma concretização, o aparelho de visualização montado na cabeça 100 pode ser, por exemplo, um visor binocular óptico diáfano de realidade aumentada. Devido ao fato de um visor binocular óptico diáfano de realidade aumentada ser tipicamente a forma mais complexa de um HMD, a presente descrição irá principalmente discutir as concretizações deste tipo, sendo entendido que os princípios discutidos aqui são igualmente aplicáveis a visores monoculares ópticos diáfanos de realidade aumentada, a visores monoculares e binoculares de realidade aumentada diáfanos de vídeo, e a sistemas de "realidade virtual" binoculares e monoculares.

[0044] Conforme mostrado nas Figuras 2 e 3, o aparelho de visualização montado na cabeça 100 inclui uma armação 107 adaptada para ser usada pelo usuário e sustentada pelo nariz e pela orelha do usuário em uma maneira similar àquela quando do uso de óculos. Na concretização das Figuras 2-3, bem como nas outras concretizações descritas aqui, o aparelho de visualização montado na cabeça pode apresentar uma variedade de configurações e pode, por exemplo, se assemelhar a óculos de natação, óculos, capacetes, e semelhantes. Em algumas concretizações, uma tira pode ser usada para prender a armação do HMD em uma posição fixa com relação aos olhos do usuário. Em termos gerais, a superfície externa do invólucro HMD pode assumir qualquer forma que retenha o sistema óptico na orientação exigida com relação ao(s) visor(es) do HMD e aos olhos do usuário.

[0045] O aparelho de visualização montado na cabeça 100 inclui pelo menos um sistema de visualização de imagem 110 e pelo menos um sistema óptico que inclui uma superfície óptica refletiva, que, conforme mostrado nas Figuras 2 e 3, é uma superfície óptica refletiva de ângulo ultra-amplo e de espaço livre 120, isto é, uma superfície FS/UWA/RO 120, que, por necessidade, é curva. Em algumas concretizações, a superfície FS/UWA/RO pode ser todo o sistema óptico. A superfície 120 pode ser puramente refletiva ou pode ter propriedades tanto refletivas quanto transmissivas, em cujo caso, ela pode ser considerada como um tipo de "divisor de feixe".

[0046] A superfície FS/UWA/RO 120 pode circundar por completo um ou ambos os olhos, bem como pelo menos um sistema de visualização de imagem 110. Em particular, a superfície pode se curvar em torno dos lados dos olhos e na direção dos lados da face de modo a expandir o campo de visão horizontal disponível. Em uma concretização, a superfície FS/UWA/RO 120 pode se estender até 180° ou mais (por exemplo, mais de 200°), conforme melhor visto na Figura 6 discutida abaixo. Conforme ilustrado na Figura 3, o HMD pode incluir duas superfícies FS/UWA/RO 120R e 120L para os dois olhos do usuário que são separadamente sustentados pela armação e/ou uma peça de reentrância nasal 210 (vide abaixo). Alternativamente, o HMD pode empregar uma única superfície FS/UWA/RO que serve a ambos os olhos com uma única estrutura, algumas porções da qual são vistas por ambos os olhos e outras porções das quais são vistas por apenas um olho.

[0047] Conforme notado imediatamente acima e conforme ilustrado na Figura 3, o aparelho de visualização montado na cabeça 100 pode incluir uma peça de reentrância nasal 210. A peça de reentrância nasal pode ser uma parede ou barra vertical que provê uma separação entre duas superfícies FS/UWA/RO, uma para cada olho do usuário. A peça de reentrância nasal 210 pode também prover uma separação entre os campos de visão dos olhos do usuário. Desta forma, o olho direito do usuário pode ser mostrado em uma primeira representação de realidade física tridimensional no ambiente em exibindo uma primeira imagem para o primeiro olho via um primeiro dispositivo de visualização de imagem e uma primeira superfície FS/UWA/RO, enquanto o olho esquerdo do usuário é mostrado em uma segunda representação da realidade física tridimensional no ambiente em exibindo uma segunda imagem para o olho esquerdo via um segundo dispositivo de visualização de imagem e uma segunda superfície FS/UWA/RO. Uma combinação de dispositivo de visualização separado/superfície refletiva serve assim a cada olho do usuário, com cada olho vendo a imagem correta para sua localização relativa à realidade física tridimensional no ambiente. Com a separação dos dois olhos do usuário, a peça de reentrância 210 permite que a imagem aplicada a cada olho seja otimizada independentemente do outro olho. Em uma concretização, a parede vertical da peça de reentrância nasal pode incluir dois refletores, um em cada lado, para permitir que o usuário veja as imagens na medida em que ele gira seus olhos para o nariz, seja para a esquerda ou para a direita.

[0048] Pelo menos um sistema de visualização de imagem 110 pode ser montado dentro da superfície FS/UWA/RO 120 e pode ser horizontalmente disposto ou em um ligeiro ângulo com relação ao horizonte. Alternativamente, pelo menos um sistema de visualização de imagem pode ser localizado bem do lado de fora da superfície FS/UWA/RO. A inclinação ou o ângulo de pelo menos um sistema de visualização de imagem 110 ou, mais particularmente, pelo menos sua superfície de emissão de luz, será, em geral, uma função da localização dos pixels, imagens e/ou informações de visualização que são refletidos da superfície 120.

[0049] Em certas concretizações, o aparelho de visualização montado na cabeça 100 é configurado para criar uma cavidade interna, com a superfície FS/UWA/RO sendo refletiva para dentro da cavidade. Para uma superfície FS/UWA/RO apresentando propriedades trans-missivas, a imagem ou a informação de visualização de pelo menos um sistema de visualização de imagem é refletida na cavidade e no olho do usuário a partir da superfície enquanto, simultaneamente, a luz também entra na cavidade do olho do usuário proveniente do mundo externo com a passagem através da superfície refletiva.

[0050] Conforme discutido em detalhes abaixo, em certas concre- tizações, pelo menos um sistema de visualização de imagem 110 provê imagens e/ou informações de visualização que antes de entrar no(s) olho(s) do usuário são ajustadas para a visão de perto. Em algumas concretizações, um sistema de lente ou de lente óptica 115 pode contribuir para este ajuste. O Pedido de Patente U.S. copendente e cedido ao mesmo cessionário do presente pedido N°. 13/211.365, depositado simultaneamente com este em nome de G. Harrison, D. Smith, e G. Wiese, intitulado "Aparelho de Visualização Montado na Cabeça que Emprega Uma ou Mais Lentes Fresnel", e identificado pelo número do documento do procurador IS-00307, os conteúdos dos quais são aqui incorporados para referência, descreve o uso de uma ou mais lentes de Fresnel para esta finalidade. Outras concretizações não utilizam o sistema de lente ou de lente óptica, e, em vez disso, contam com a superfície FS/UWA/RO para prover as propriedades ópticas desejadas para a visualização em foco próxima ao olho das imagens formadas pelo sistema de visualização.

[0051] O aparelho de visualização montado na cabeça pode incluir um pacote de eletrônica 140 para controlar as imagens que são exibidas por pelo menos um sistema de visualização de imagem 110. Em uma concretização, o pacote de eletrônica 140 inclui acelerômetros e giroscópios que proveem informação de localização, orientação e posição necessária para sincronizar imagens de pelo menos um sistema de projeção de visualização de imagem 110 com atividades de usuário. A potência e o vídeo do e para o aparelho de visualização montado na cabeça 100 podem ser providos através de um cabo de transmissão 150 acoplados ao pacote de eletrônica 140 ou através de um meio sem fio.

[0052] Um conjunto de câmeras 170 pode ser situado nos lados opostos do aparelho de visualização montado na cabeça 100 para prover entrada para o pacote de eletrônica para ajudar a controlar a geração, por exemplo, de cenas "de realidade aumentada" do compu- tador. O conjunto de câmeras 170 pode ser acoplado ao pacote de eletrônica 140 para receber sinais de potência e controle e para prover entrada de vídeo ao software de pacote de eletrônica.

[0053] O sistema de visualização de imagem usado no aparelho de visualização montado na cabeça pode ter muitas formas, agora conhecidas ou subsequentemente desenvolvidas. Por exemplo, o sistema pode empregar pequenos mostradores de cristal líquido (LCDs) de alta resolução, mostradores de diodo de emissão de luz (LED), e/ou visores de diodo de emissão de luz orgânico (OLED), incluindo telas OLED flexíveis. Em particular, o sistema de visualização de imagem pode empregar um dispositivo de visualização de alta definição e de pequeno fator de forma com alta densidade de pixel, exemplos do qual podem ser encontrados na indústria de telefone celular. Um feixe de fibras ópticas pode ser também usado no sistema de visualização de imagem. Em várias concretizações, o sistema de visualização de imagem pode ser considerado com o funcionando como uma televisão de tela pequena. Se o sistema de visualização de imagem produzir luz polarizada (por exemplo, no caso onde o sistema de visualização de imagem emprega um monitor de cristal líquido onde todas as cores são linearmente polarizadas na mesma direção), e se a superfície FS/UWA/RO for ortogonalmente polarizada com relação à luz emitida pelo visor, então, a luz não irá vazar para fora da superfície FS/UWA/RO. A informação exibida e a própria fonte de luz não serão consequentemente visíveis fora do HMD.

[0054] Toda a operação de uma concretização exemplificativa de um sistema óptico construído de acordo com a presente descrição, especificamente, um sistema óptico para um HMD de "realidade aumentada", é ilustrado pelos traçados de raio da Figura 2, especificamente, os raios de luz 180, 185 e 190. Nesta concretização, a superfície FS/UWA/RO 120 apresenta propriedades tanto refletivas quanto transmissivas. Com o uso das propriedades transmissivas da superfície 120, o raio de luz 190 entra do ambiente através da superfície e procede para o olho do usuário. A partir da mesma região da superfície 120, o raio de luz 180 é refletido pela superfície (usando as propriedades refletivas da superfície) e une o raio de luz 190 para criar raio de luz combinado 185 que irá entrar no olho do usuário, quando o usuário olhar na direção do ponto 195, isto é, quando a direção do olhar do usuário estiver na direção do ponto 195. Enquanto estiver olhando desse modo, as capacidades de visão periférica do usuário permitirão que o usuário veja a luz de outros pontos no ambiente que passa através da superfície 120, novamente usando as propriedades transmissivas da superfície.

[0055] A Figura 4 é um desenho de traçado de raio que ilustra a operação de uma concretização exemplificativa do aparelho de visualização montado na cabeça 100 disposto na mesma. Nesta concretização, todo o sistema de visão inclui três partes: (1) pelo menos um sistema de visualização de imagem 110, (2) a superfície FS/UWA/RO 120, e (3) o olho do uso 310. O olho 310 é representado com uma lente interna 330. A luz emitida de um pixel de pelo menos um sistema de visualização de imagem 110 é representada pelo raio 180, conforme na Figura 2. Esta luz irá aparecer em um ponto na retina do olho do usuário depois de ser refletida pela superfície 120 uma vez que a direção do olhar do usuário e o campo de visão associado (vide a discussão das Figuras 7 e 8 abaixo) incluem o ponto em que o raio 180 atinge a superfície 120. Mais particularmente, conforme discutido baixo, devido às propriedades ópticas que envolvem o normal que divide em duas partes os vetores com relação ao olho e ao pixel do ponto na superfície FS/UWA/RO, o pixel irá apenas aparecer no ponto 195, isto é, mesmo que a luz seja irradiada do pixel em um cone mais amplo, a superfície FS/UWA/RO é projetada apenas para que a luz seja prove- niente de uma localização.

[0056] Na Figura 4, é assumido que a direção do olhar do usuário se dá na direção do ponto de interseção do raio 180 com a superfície 120, conforme ilustrado pelos raios de luz 185 e 340. O que o olho vê, contudo, é uma imagem virtual que aparece no espaço à frente dele, em uma distância representada pelos vetores 345 e 350, por exemplo, na infinidade, conforme mostrado pelo numeral de referência 352. Na Figura 4, é usada uma cadeira para fins de ilustração, com pelo menos um sistema de visualização de imagem 110 produzindo uma imagem real 355 da cadeira que se torna uma imagem virtual 360 depois da reflexão da luz emitida do sistema de visualização pela superfície FS/UWA/RO 120. Em um ambiente de "realidade aumentada", o sistema óptico, incluindo a superfície FS/UWA/RO poderia, por exemplo, fazer com que a imagem virtual 360 da cadeira parecesse estar na mesma localização que uma pessoa 365 verdadeiramente no ambiente físico. É notado que o raio 345, que pára em uma distância mais próxima ao infinito, é incluído na Figura 4 como mostrando que a imagem pode ser formada para opticamente parecer em qualquer distância entre as proximidades e o infinito. Por exemplo, a pessoa poderia estar de pé afastada a 50 metros, e isto é onde a cadeira seria colocada.

[0057] Nas Figuras 1-4, é mostrado pelo menos um sistema de visualização de imagem como apresentando uma superfície de emissão de luz planar (por exemplo, a superfície 111 na Figura 4). O sistema de visualização pode também ter uma superfície de emissão de luz curva. Tal concretização é mostrada na Figura 5, onde um raio de luz 405 emana de uma tela de visualização curva 407 (superfície de emissão de luz curva). Este raio reflete da superfície FS/UWA/RO 120 e entra na pupila 415 do olho do usuário 310 (vide raio 410). Nesta concretização, a superfície 120 também admite luz representada pelo raio 345 a partir do ambiente externo, permitindo assim que imagens geradas pelo visor fiquem sobrepostas às imagens externas. É notado que, para fins de ilustração, o raio 345 é mostrado deslocado do raio 410; para uma superposição simples da imagem externa, o raio 345 ficará sobreposto ao raio 410.

[0058] Conforme discutido acima, sistemas ópticos anteriores usados em HMDs que empregavam superfícies ópticas refletivas apresentavam formação de pupila e, portanto, tinham áreas de visualização limitadas, um campo de visão típico sendo de ~60 graus ou menos. Isto grandemente limitava o valor e a capacidade de aparelhos de visualização montados na cabeça anteriores. Em várias concretizações, os visores montados na cabeça descritos aqui apresentam campos de visão (FOV) muito mais amplos, permitindo que muito mais informação óptica seja provida ao usuário em comparação aos HMDs apresentando campos de visão menores. O campo de visão amplo pode ser maior do que 100°, maior do que 150°, ou maior do que 200°. Além de prover mais informação, o campo de visão amplo permite que informação adicional possa ser processada pelo usuário em uma maneira mais natural, permitindo experiências imersivas melhores e de realidade aumentada através de uma melhor associação das imagens exibidas à realidade virtual.

[0059] Especificamente, na concretização exemplificativa ilustrada na Figura 6, para uma direção de olhar avante, o olho pode abranger uma completa área de visualização representada na Figura 6 por superfícies FS/UWA/RO 201 e 202, correspondendo pelo menos a 150 graus de campo de visão (FOV) horizontal para cada olho (por exemplo, ~168 graus de FOV horizontal). Este campo de visão é composto do campo de visão foveal e do campo de visão periférico do olho. Além disso, o olho pode se mover livremente em torno de seu centro de rotação para atingir o campo de visão foveal+periférico combinado em diferentes direções do olhar, na medida em que o olho naturalmente o faz, quando da visualização do mundo físico. Os sistemas ópticos descritos aqui permitem assim que o olho obtenha informação por toda uma faixa de movimento da mesma maneira que o olho faz, quando da visualização do mundo natural.

[0060] Examinando a Figura 6 em maiores detalhes, esta figura é uma representação de linha simplificada da frente da cabeça do usuário 200, conforme visto a partir do topo. Ela mostra superfícies FS/UWA/RO 201 e 202 colocadas na frente dos olhos do usuário 203 e 204. Conforme discutido acima, as superfícies FS/UWA/RO 201 e 202 podem se apoiar sobre o nariz do usuário 205, quando elas se juntarem na frente central 214 da cabeça do usuário 200. Conforme discutido em maiores detalhes abaixo, os normais locais e as localizações espaciais locais das superfícies 201 e 202 são ajustados de modo que as imagens produzidas pelo menos por uma sistema de visualização de imagem (não mostrado na Figura 6) cubram pelo menos 100°, por exemplo, em certas concretizações, pelo menos 150° e, em outras concretizações, pelo menos 200°, do FOV horizontal para cada olho. (Opcionalmente, conforme discutido também abaixo, os raios locais de curvatura são também ajustados para proverem, quando combinados com um sistema de lente de Fresnel, imagens virtuais distante.) Por exemplo, os normais locais e as localizações espaciais locais podem ser ajustados para cobrir o completo campo de visão estático, horizontal avante de ~168 graus para cada olho, com os 168 graus se estendendo de borda a borda das superfícies FS/UWA/RO 201 ou 202, conforme mostrado pelos campos visuais 210, 211 e 212, 213. Os campos visuais correspondem, portanto, ao campo de visão estático amplo (foveal + periférico) que é provido para o usuário. Além disso, o usuário é livre para mover seus olhos em torno de centros rolantes 215 e 216, enquanto continuam a ver as imagens geradas pelo computador.

[0061] Na Figura 6, bem como nas Figuras 4, 5 e 12, as superfícies FS/UWA/RO são mostradas como partes de esferas para facilidade de apresentação. Na prática, as superfícies não são esferas, mas apresentam configurações mais complexas de modo que seus normais locais e localizações espaciais locais (e, opcionalmente, raios de curvatura locais) venham a prover o campo de visão estático e dinâmico desejado (e, opcionalmente, distâncias desejadas para as imagens virtuais). Também, na Figura 6, o lado direito do aparelho de visualização montado na cabeça opera identicamente ao lado esquerdo, sendo entendido que os dois lados poderão diferir, caso desejado para aplicações específicas.

[0062] As Figuras 7 e 8 adicionalmente ilustram os campos de visão estático e dinâmico providos pelas superfícies FS/UWA/RO descritas aqui. A Figura 7 mostra o olho direito nominal do usuário 71 apresentando uma direção do olho avante 73. O campo de visão foveal + periférico do olho é mostrado pelo arco 75, que apresenta uma extensão angular de ~168°. É notado que, para fins de apresentação, nas Figuras 6-8, o campo de visão é mostrado relativamente ao centro de rotação do olho do usuário, conforme oposto ao centro ou bordas da pupila do usuário. De fato, o campo de visão grande (por exemplo, ~168°) obtido por um olho humano é um resultado da extensão angular grande da retina que permite que raios altamente oblíquos entrem na pupila do usuário e alcancem a retina.

[0063] A Figura 8 mostra esquematicamente a interação do campo de visão da Figura 7 com um HMD apresentando: (a) um sistema de visualização de imagem cuja pelo menos uma superfície de emissão de luz 81 apresenta uma primeira região de emissão de luz 82 (ilustrada como um quadrado) e uma segunda região de emissão de luz 83 (ilustrada como um triângulo), e (b) uma superfície FS/UWA/RO apre- sentando uma primeira região refletiva 84 que apresenta um primeiro normal local 85 e uma segunda região refletiva 86 que apresenta um segundo normal local 87.

[0064] Conforme indicado acima, a superfície FS/UWA/RO é tanto uma superfície de "espaço livre" quanto uma superfície de "ângulo ultra-amplo". Além disso, conforme notado acima e discutido em maiores detalhes abaixo, a superfície pode participar (ou ser a única fonte) da colimação (ou colimação parcial) da luz que entra no olho do usuário. Tal colimação faz com que a imagem virtual produzida pela superfície FS/UWA/RO pareça como estando localizada a uma longa distância do usuário, por exemplo, a 30 metros ou mais, o que permite ao usuário facilmente focar na imagem virtual com um olho relaxado.

[0065] Os aspectos de "espaço livre" e ângulo ultra-amplo" da superfície FS/UWA/RO podem ser obtidos com o ajuste dos normais locais da superfície de modo que o olho do usuário veja as regiões de emissão de luz de pelo menos um sistema de visualização de imagem como originário de regiões predeterminadas da superfície FS/UWA/RO (localizações predeterminadas sobre a superfície).

[0066] Por exemplo, na Figura 8, o projetista do HMD poderia decidir que seria vantajoso que uma imagem virtual 88 do quadrado fosse vista pela porção central da retina do usuário, quando a direção do olhar do usuário estivesse avante, e que uma imagem virtual 89 do triângulo fosse vista pela porção central da retina do usuário, quando a direção do olhar estivesse, por exemplo, a ~50° para a esquerda avante. O projetista configuraria então que pelo menos um sistema de visualização de imagem, a superfície FS/UWA/RO, e quaisquer outros componentes ópticos do sistema (por exemplo, uma ou mais lentes de Fresnel entre o sistema de visualização de imagem e a superfície FS/UWA/RO) de modo que a imagem virtual do quadrado estivesse avante e a imagem virtual do triângulo estivesse a 50° à esquerda avante durante o uso do HMD.

[0067] Desta forma, quando a direção do olhar do usuário (campo de visão) intersectasse a superfície FS/UWA/RO diretamente, a imagem virtual do quadrado ficaria visível no centro do olho do usuário, conforme desejado, e quando a direção do olhar do usuário (campo de visão) intersectasse a superfície FS/UWA/RO em 50 graus para a esquerda avante, a imagem virtual do triângulo seria visível no centro do olho do usuário, também conforme desejado. Embora não ilustrado nas Figuras 7 e 8, algumas abordagens são usadas para o campo de visão vertical, bem como para campos de visão fora do eixo. Em termos mais gerais, no design do HMD e de cada de seus componentes ópticos, o projetista "mapeia" pelo menos uma superfície de emissão de luz do visor com relação à superfície refletiva, de modo que as porções desejadas do visor sejam visíveis ao olho do uso, quando o olhar do olho for em direções específicas. Desse modo, na medida em que o olho varre através do campo de visão, tanto horizontal quanto verticalmente, a superfície FS/UWA/RO faz brilhar diferentes porções de pelo menos uma superfície de emissão de luz do sistema de visualização de imagem no olho do usuário. Embora a discussão anterior tenha sido em termos do centro da retina de um usuário nominal, o processo de design pode, naturalmente, usar a localização de uma fóvea do usuário nominal no lugar, caso desejado.

[0068] Deve ser notado que, na Figura 8, qualquer rotação do olho do usuário para a direita faz com que a imagem virtual 89 do triângulo não fique mais visível ao usuário. Desse modo, na Figura 8, qualquer direção do olhar que está avante ou à esquerda avante provê o usuário com imagens virtuais tanto do quadrado quanto do triângulo, enquanto uma direção do olhar para a direção avante provê uma imagem virtual apenas do quadrado. A acuidade das imagens virtuais irá, naturalmente, depender de se as imagens virtuais são percebidas pela visão foveal do usuário ou pela visão periférica do usuário.

[0069] Se o projetista do HMD tiver colocado a imagem virtual do quadrado distante à direita na Figura 8, enquanto deixa a imagem virtual do triângulo distante à esquerda, haveria direções do olhar onde apenas a imagem virtual do quadrado ficaria visível e outras direções do olhar apenas onde a imagem virtual do triângulo ficaria visível. Do mesmo modo, com base nos princípios descritos aqui, o projetista poderia dispor a imagem virtual do quadrado e a imagem virtual do triângulo de modo que a imagem virtual do triângulo fosse sempre visível, com a imagem virtual do triângulo para algumas direções do olhar, mas não para outras. Como uma variação adicional o projetista do HMD poderia colocar a imagem virtual do quadrado e do triângulo em localizações onde, para uma ou mais direções do olhar, nenhuma imagem ficaria visível ao usuário, por exemplo, o projetista poderia colocar as imagens virtuais bem do lado de fora do campo de visão estático do usuário para uma direção avante do olhar. A flexibilidade provida ao projetista HMD pela presente descrição é, portanto, prontamente evidente.

[0070] Em uma concretização, os aspectos de "espaço livre" e de "ângulo ultra-amplo" da superfície refletiva são alcançados com o uso dos princípios de Fermat e Hero de acordo com o que a luz percorre ao longo do percurso óptico mais curto (de menos tempo). O Pedido de Patente U.S. copendente e cedido ao mesmo cessionário do presente pedido em nome de G. Harrison, D. Smith e G. Wiese, intitulado "Métodos e Sistemas para Criar Superfícies Ópticas Refletivas de Espaço Livre", e identificado pelo número do documento de procurador IS-00354, os conteúdos dos quais são aqui incorporados para referência, descreve uma concretização em que os princípios de Fermat e Hero são usados para projetar as superfícies FS/UWA/RO adequadas para uso no HMDs.

[0071] Por meio dos princípios de menor tempo de Fermat e Hero, qualquer "porção desejada" de pelo menos uma superfície de emissão de luz de um sistema de visualização de imagem (por exemplo, qualquer pixel de um sistema de visualização de imagem) pode ser forçada a ter qualquer ponto de reflexão na superfície FS/UWA/RO, uma vez que o percurso óptico da porção desejada de pelo menos uma superfície de emissão de luz para o ponto de reflexão na superfície FS/UWA/RO e então para o centro de rotação do olho do usuário se dá em um ponto mais extremo.

[0072] Um ponto mais extremo no percurso óptico significa que o primeiro derivativo do comprimento do percurso óptico alcançou um valor zero, significando um máximo ou um mínimo no comprimento do percurso óptico. Um ponto mais extremo pode ser inserido em qualquer ponto no campo de visão ao criar uma região local da superfície óptica refletiva, cujo normal divide em duas partes (a) um vetor da região local para o olho do usuário (por exemplo, um vetor do centro da região local para o olho do usuário), e (b) um vetor da região local para a "porção desejada" da superfície de emissão de luz (por exemplo, um vetor do centro da região local para o centro da "porção desejada" da superfície de emissão de luz). As Figuras 9 e 10 ilustram o processo para o caso em que a "porção desejada" de pelo menos uma superfície de emissão de luz do sistema de visualização de imagem é um pixel.

[0073] Especificamente, a Figura 9 mostra uma superfície de emissão de luz 510 de um sistema de visualização de imagem composta de um arranjo geralmente retangular de pixels que estão emanando luz para na direção da frente do aparelho de visualização montado na cabeça na direção do feixe de luz 515. O feixe de luz 505 é refletido da superfície óptica refletiva 520, que, para facilidade de apresentação, é mostrada como um plano na Figura 8. Com a reflexão, o feixe de luz 515 se torna o feixe de luz 525 que entra no olho do usuário 530.

[0074] Para fins de determinar a superfície normal do refletor para cada pixel, apenas é necessário determinar o bissetor tridimensional de vetores correspondendo aos feixes de luz 515 e 525. Na Figura 9, este vetor bissetor é mostrado na forma bidimensional como a linha 535. O vetor de bisseção é normal à superfície óptica refletiva no ponto de reflexão 540, que é a localização sobre a superfície 520 onde o pixel 545 da superfície de emissão de luz 510 ficará visível ao usuário do HMD.

[0075] Especificamente, em operação, o pixel 545 na superfície de visualização 510 emite o feixe de luz 515 que é refletido da superfície óptica refletiva 520 em um ângulo estabelecido pelo normal de superfície correspondendo ao vetor de bisseção 535 e a seu plano perpendicular 550, produzindo pelos princípios de Fermat e Hero um pixel refletido no ponto de reflexão 540 que é visto pelo olho 530 ao longo do feixe de luz 525. A fim de calcular com precisão o normal de superfície no ponto de reflexão 540, o feixe 525 pode passar através aproximadamente do centro 555 do olho do usuário 530. Os resultados permanecerão aproximadamente estáveis, mesmo que o olho do usuário gire, se tornando visão periférica até que, conforme discutido acima em conexão com as Figuras 7 e 8, o olho gire tanto que a região da visualização não possa ser vista com a visão foveal ou periférica do usuário.

[0076] Para calcular a posição do normal de superfície, o uso do método de quaternidades pode ser empregado, onde
q1 = orientação do feixe 515
q2 = orientação do feixe 525
e
q3 = a orientação do normal de superfície desejado 535 = (q1 + q2) / 2

[0077] O normal de superfície pode ser também descrito em notação de vetor, conforme ilustrado na Figura 11. Na seguinte equação e na Figura 11, o ponto N é uma unidade afastada do ponto M no centro da região de interesse da superfície óptica refletiva e está na direção do normal perpendicular ao plano tangente da superfície óptica refletiva no ponto M. O plano tangente da superfície óptica refletiva no ponto M é controlado para satisfazer a relação expressa na seguinte equação de tal modo que, no espaço tridimensional, o normal de superfície no ponto M divida em dois a linha do ponto M para o ponto P no centro do pixel de interesse e a linha do ponto M para o ponto C no centro rolante do olho do usuário (para referência, o ponto C está aproximadamente a 13 mm de volta da frente do olho).

[0078] A equação que descreve o ponto N no normal de superfície no ponto M é:

[0079] onde todos os pontos N, M. P e C apresentam componentes [x, y. z] que indicam sua posição no espaço tridimensional em um sistema de coordenadas Cartesiano arbitrário.

[0080] O vetor normal resultante N-M apresenta o comprimento Euclidiano

[0081] onde as duas barras verticais representam o comprimento Euclidiano, calculado como segue:

[0082] Como um exemplo numérico, devem ser considerados os seguintes valores M, P e C:

[0083] O ponto ao longo do normal N é calculado como segue:
P - M = [(2-4),(10-8),(5-10)]=[-2,2,-5]
C-M=[(6-4),(10-8),(5-10)]=[2, 2. -5]
(P-M)+(C-M) = [0, 4, -10]
e
= {[-2,2,-5]+[2,2,-5]}/10.7703296143 + [4,8,10]
=[0, 0.3713806764, -0.928476691] + [4,8,10]
= [4, 8.3713806764, 9.0715233091]

[0084] A geometria é mostrada na Figura 7, onde o bissetor está entre os dois vetores mais longos.

[0085] O antecedente é, naturalmente, meramente um cálculo representativo que serve para mostrar o uso dos princípios de Fermat e Hero de menor tempo na determinação de limitações angulares de plano tangente local para um campo de pontos que formam uma variedade de superfícies de espaço livre (forma livre) de regiões refletoras destinadas a apresentar uma imagem virtual contígua para o espectador. A única constante real é o centro do olho do usuário, e o campo de visão natural do olho. Todos os outros componentes podem ser iterativamente atualizados até que uma solução apropriada para um determinado sistema de visualização de imagem e a orientação de superfície óptica refletiva seja alcançada. De outra maneira, as localizações de reflexão de imagem de pixel, M1, M2, ..., Mn, e seus normais e curvaturas associados podem ser considerados como uma matriz que é "deformada" (ajustada) de modo que a superfície FS/UWA/RO alcance o processamento de imagem virtual desejado de imagens geradas por computador formadas pelo sistema de visualização de imagem.

[0086] Com a aplicação dos princípios de Fermat e Hero, deve ser notado que, em algumas concretizações, será desejável impedir a si- tuação onde os normais são ajustados de tal modo que o usuário veja a mesma reflexão de pixel em mais de um ponto. Deve ser também notado que, em algumas concretizações, as regiões locais da superfície óptica refletiva podem ser muito pequenas e podem até corresponder a um ponto no refletor, com os pontos se transformando em outros pontos para formar uma superfície lisa.

[0087] A fim de assegurar que o usuário possa facilmente focar na imagem virtual da "porção desejada" de pelo menos uma superfície de emissão de luz (por exemplo, a imagem virtual de um pixel), o raio de curvatura da região que circunda o ponto de reflexão (área de reflexão) é controlada de modo que uma imagem colimada (ou quase colimada) alcance o usuário. A imagem colimada (ou quase colimada) tem raios ópticos que são mais paralelos, como se a imagem tivesse se originado em uma distância afastada do usuário, dezenas a centenas de metros, por exemplo. A fim de alcançar tal superfície, o raio de curvatura da região de reflexão da superfície óptica refletiva correspondendo à "porção desejada" de pelo menos uma superfície de emissão de luz (pixel de emissão de luz desejado) pode ser mantido em um raio próximo à metade da distância da região de reflexão para a "porção desejada" rela da superfície de emissão de luz (pixel real) no visor.

[0088] Desse modo, em uma concretização, o vetor normal de pixel interrefletido do pixel de interesse aos pixels adjacentes satisfaz a relação que permite que eles estabeleçam um raio de curvatura de aproximadamente metade do comprimento do vetor da localização do pixel refletido na superfície refletiva para o pixel de visor. Ajustes que afetam este parâmetro incluem o tamanho de pelo menos uma superfície de emissão de luz e se pelo menos uma superfície de emissão de luz é curva.

[0089] A Figura 10 ilustra esta concretização. A fim de controlar o raio de curvatura da região que circunda a reflexão de pixel de modo que uma imagem colimada (ou quase colimada) alcance o usuário, são consideradas duas regiões refletoras de pixel adjacentes, tal como no ponto de reflexão 540. Mais regiões podem ser consideradas para um melhor equilíbrio, mas duas são suficientes. Com referência à Figura 10, dois pontos refletivos de pixel 540 e 610 são mostrados com relação a dois pixels, 545 e 615, respectivamente na superfície de visualização 510. Os normais de superfície nos pontos 540 e 610 são calculados juntamente com o ângulo entre suas direções. O raio de curvatura é calculado conhecendo estes ângulos e a distância entre os pontos 540 e 610. Especificamente, a configuração de superfície e, caso necessário, a localização espacial da superfície são ajustadas até que o raio de curvatura seja igual (ou aproximadamente igual) à metade da média dos comprimentos dos feixes 515 e 620. Desta forma, a luz dióptrica zero ou quase zero pode ser provida para o olho do usuário. Isto é equivalente à luz vinda de um ponto essencialmente infinitamente distante, e a frente de onda de luz é plana, resultando em normais de superfície paralelos à frente de onda da luz.

[0090] Além de controlar os raios locais de curvatura, em certas concretizações, como uma solução de ponto de primeira ordem como tendo uma imagem colimada (ou quase colimada) entre no olho, pelo menos uma superfície de emissão de luz é nominalmente localizada a uma distância de um comprimento focal longe da superfície FS/UWA/RO, onde o comprimento focal se baseia no valor médio dos raios de curvatura das várias regiões refletivas que formam a superfície FS/UWA/RO.

[0091] O resultado de aplicar os princípios de Fermat e Hero é um conjunto de regiões refletivas que pode ser combinado em uma superfície refletiva lisa. Esta superfície não será, em geral, esférica ou simétrica. A Figura 12 é uma representação bidimensional de tal superfície FS/UWA/RO 520. Conforme discutido acima, a superfície 520 pode ser construída de tal modo que os raios de curvatura nos pontos 710 e 720 sejam ajustados em valores que proveem uma visão relaxada da imagem que é refletida de pelo menos uma superfície de emissão de luz do sistema de visualização de imagem que está sendo refletida pela superfície. Desta forma, olhando em uma certa direção representada pela linha 730, será provida uma imagem virtual colimada (ou quase colimada) para o olho 530, conforme olhando em uma direção diferente representada pela linha 740. Para permitir uma transição suave de visão através do campo de visão, as regiões da superfície FS/UWA/RO podem ser suavemente transitadas de um ponto de controle para outro, conforme pode ser executado pelo uso da tecnologia Non-Uniform Rational B-Spline (NURBS) para superfícies estriadas, criando assim uma transição suave através da superfície refletiva. Em alguns casos, a superfície FS/UWA/RO pode incluir um número suficiente de regiões de modo que a superfície fique lisa em um nível de grão fino. Em algumas concretizações, diferentes ampliações para cada porção do visor (por exemplo, cada pixel) podem ser providas usando um gradiente gradual para permitir uma melhor produtibilidade, realização e qualidade de imagem.

[0092] As Figuras 13 e 14 mostram uma superfície FS/UWA/RO criada usando as técnicas acima a partir de duas perspectivas diferentes. As Figuras 15 e 16 mostram uma versão refinada da superfície refletiva das Figuras 13 e 14, novamente a partir de duas perspectivas. As superfícies FS/UWA/RO destas figuras foram projetadas usando as técnicas baseadas em computador do pedido copendente e cedido ao mesmo cessionário do presente pedido intitulado "Métodos e Sistemas para Criar Superfícies Ópticas Refletivas de Espaço Livre", mencionado acima.

[0093] A partir do antecedente, pode ser visto que os métodos para projetar visores montados na cabeça foram descritos, os quais, em concretizações exemplificativas podem incluir determinar um campo de visão desejado, escolher um tamanho de superfície de visualização (por exemplo, dimensões de largura e altura), escolher uma orientação para a superfície de visualização com relação a uma superfície refletiva, catalogar a posição de cada pixel na superfície de visualização, e escolher uma localização para exibir cada pixel da superfície de visualização sobre a superfície refletiva. A superfície de visualização pode ser colocada acima do olho e inclinada na direção da superfície refletiva, permitindo que a curvatura da superfície refletiva reflita luz para o olho do usuário. Em concretizações adicionais, a superfície de visualização pode ser colocada em outras posições, tal como no lado do olho ou abaixo do olho, com a posição e a curvatura refletivas selecionadas para refletirem a luz da superfície de visualização apropriadamente, ou sendo inclinadas em um diferente grau.

[0094] Em certas concretizações, uma representação matemática ou instanciação tridimensional da superfície refletiva pode ser criada, conforme discutido acima, com cada região da superfície refletiva sendo uma região local apresentando um normal que divide em dois os vetores do centro dessa região para o centro do olho do usuário e para o centro de um pixel na superfície de visualização. Conforme também discutido acima, os raios de curvatura de regiões que circundam uma reflexão de pixel podem ser controlados de modo que uma imagem colimada (ou quase colimada) alcance o usuário através do campo de visão. Através de iterações com base em computador, parâmetros cambiáveis (por exemplo, normais locais, curvaturas locais, localizações espaciais locais) podem ser ajustados até que uma combinação (conjunto) de parâmetros seja identificada, que provê um nível desejado de desempenho óptico sobre o campo de visão, bem como um desenho fabricável que seja esteticamente aceitável.

[0095] Durante o uso, a superfície FS/UWA/RO não simétrica que, em certas concretizações, é construída a partir de uma superfície estriada de múltiplas regiões locais de foco, forma uma imagem virtual de pelo menos uma superfície de emissão de luz do sistema de visualização de imagem que é estirado através de um campo de visão amplo. A superfície FS/UWA/RO pode ser considerada como um espelho progressivo ou divisor de feixe curvo progressivo ou um espelho ou refletor de forma livre. Na medida em que o olho varre o campo de visão, tanto horizontal como verticalmente, a superfície FS/UWA/RO curva reflete luz de diferentes porções de pelo menos uma superfície de emissão de luz do sistema de visualização de imagem no olho do usuário. Em várias concretizações, todo o sistema óptico é fabricável em grandes quantidades em baixo custo enquanto mantém uma qualidade de imagem compatível com a resolução visual humana típica.

[0096] Em termos de toda a estrutura do HMD, a Tabela 1 apresenta os exemplos representativos não limitativos dos parâmetros que um visor HMD construiu de acordo com a presente descrição irá tipicamente atender. Além disso, os visores HMD descritos aqui irão tipicamente ter uma distância entre pixels que é pequena o suficiente para assegurar que uma imagem convincente seja estabelecida no plano visual do usuário.

[0097] Várias características que podem ser incluídas nos visores montados na cabeça descritos aqui incluem, sem limitação, o seguinte, alguns dos quais foram referenciados acima:

(1) Em algumas concretizações, uma ou mais lentes de Fresnel podem ser usadas para modificar as características dióptricas do feixe de luz que emana da superfície de visualização.
(2) Em algumas concretizações, a superfície óptica refletiva pode ser semitransparente, permitindo que a luz se origine do ambiente externo. As imagens internas geradas pelo visor podem então se sobrepor à imagem externa. As duas imagens podem ser alinhadas através do uso de equipamento de localização, tais como giroscópios, câmeras, e da manipulação de software das imagens geradas por computador de modo que as imagens virtuais estejam em localizações apropriadas no ambiente externo. Em particular, uma câmera, um acelerômetro, e/ou giroscópios poderão ser usados para ajudar no registro do aparelho, quando estiverem na realidade física e a sobrepor suas imagens na vista externa. Nestas concretizações, o equilíbrio entre a transmitância e a refletância relativas da superfície óptica refletiva pode ser selecionado para prover o usuário com imagens sobrepostas com características de brilho apropriadas. Também nestas concretizações, a imagem de mundo real e a imagem gerada por computador pode parecer a ambas como estando aproximadamente na mesma distância aparente, de modo que o olho possa focar em ambas as imagens de uma vez.
(3) Em algumas concretizações, a superfície óptica refletiva é mantida tão fina quanto possível a fim de minimizar os efeitos sobre a posição ou foco de luz externa que passa através da superfície.
(4) Em algumas concretizações, o aparelho de visualização montado na cabeça provê um campo de visão para cada olho de pelo menos 100 graus, pelo menos 150 graus, ou pelo menos 200 graus.
(5) Em algumas concretizações, o campo de visão estático provido pelo visor montado na cabeça em cada olho não sobrepõe o nariz do usuário em qualquer grau grande.
(6) Em algumas concretizações, a superfície óptica refletiva pode empregar uma transição progressiva de sua prescrição óptica através do campo de visão para manter o foco sobre a área de visualização disponível.
(7) Em algumas concretizações, o traçado de raios pode ser usado para customizar os parâmetros do aparelho para uma implementação específica, tal como treinamento militar, simulação de voo, jogos e outros aplicativos comerciais.
(8) Em algumas concretizações, a superfície óptica refletiva e/ou a superfície do visor, bem como as curvaturas das lentes (quando usadas), e as distâncias entre o visor e a superfície óptica refletiva e entre a superfície óptica refletiva e o olho, podem ser manipuladas com relação a uma especificação de Função de Transferência de Modulação (MTF) na retina e/ou na fóvea.
(9) Em algumas concretizações, os HMDs descritos aqui podem ser implementados em aplicações, tais como, mas não limitadas à detecção de francos-atiradores, treinamento comercial, treinamento militar e operações, e fabricação CAD.

[0098] Uma vez projetadas, a superfícies ópticas refletivas descritas aqui (por exemplo, as superfícies FS/UWA/RO) podem ser produzidas, por exemplo, fabricadas em quantidade, usando uma variedade de técnicas e uma variedade de materiais agora conhecidos ou subsequentemente desenvolvidos. Por exemplo, as superfícies podem ser formadas de materiais plásticos que foram metalizados para serem adequadamente refletivos. Materiais de vidro ou plástico polido podem ser também usados. Para aplicações de "realidade aumentada", as superfícies ópticas refletivas podem ser construídas a partir de um material transmissivo com pequenos refletores embutidos, refletindo assim uma porção de uma frente de onda incidente enquanto permite a transmissão de luz através do material.

[0099] Para peças de um protótipo, um plástico acrílico (por exemplo, plexiglas) pode ser usado com a parte que é formada por rotação de diamante. Para peças de produção, pode ser usado acrílico ou policarbonato, por exemplo, com a peça que é formada, por exemplo, por técnicas de moldagem por injeção. A superfície óptica refletiva pode ser descrita como uma descrição detalhada de Desenho Assistido por Computador (CAD) ou uma superfície NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline), que pode ser convertida em uma descrição CAD. Com um arquivo CAD, pode-se permitir que o dispositivo seja formado usando a impressão 3-D, onde a descrição CAD resulta em um objeto 3D diretamente, sem exigir usinagem.

[00100] As técnicas matemáticas discutidas acima podem ser codificadas em vários ambientes de programação e/ou linguagens de programação, agora conhecidos ou subsequentemente desenvolvidos. Um ambiente de programação atualmente preferido é a linguagem Java que é executada na interface do Programador Eclipse. Outros ambientes de programação, tal como o Microsoft Visual C#, poderão também ser usados, caso desejados. Cálculos podem ser também executados usando a plataforma comercializada por PCT de Needham, Massachusetts, e/ou a plataforma Matlab da MathWorks, Inc., de Natick, Massachusetts. Os programas resultantes podem ser armazenados em um disco rígido, um cartão de memória, um CD ou em um dispositivo similar. Os procedimentos podem ser executados usando equipamento de computação de desktop disponível de uma variedade de vendedores, por exemplo, DELL, HP, TOSHIBA, etc. Alternativamente, mais equipamento de computação potente pode ser usado incluindo a computação "em nuvem", caso desejado.

[00101] Uma variedade de modificações que não se afaste do escopo e do espírito da invenção ficará evidente àqueles versados na técnica a partir da descrição anterior. Por exemplo, embora as superfícies ópticas refletivas que proveem o usuário com um campo de visão grande, por exemplo, um campo de visão maior ou igual a 100°, 150° ou 200°, constituam uma concretização vantajosa dos aspectos de desenho da invenção, os métodos e os sistemas baseados em computador para projetar as superfícies ópticas refletivas descritas aqui podem ser também usados para criar superfícies apresentando campos de visão menores. As seguintes reivindicações se destinam a cobrir estas e outras modificações, variações e equivalentes das concretizações específicas explicadas aqui.

Claims

Aparelho de visualização montado na cabeça (100) caracterizado pelo fato de que compreende:
- (I) uma armação (107) adaptada para ser montada na cabeça de um usuário:
- (II) um sistema de visualização de imagem (110) sustentado pela armação (107); e
- (III) uma superfície óptica refletiva (120) de ângulo ultra-amplo e de espaço livre sustentada pela armação (107), a superfície óptica refletiva (120) sendo uma superfície contínua que não é giratoriamente simétrica em torno de nenhum eixo de coordenadas de um sistema de coordenadas Cartesiano tridimensional;
em que
- (a) o sistema de visualização de imagem inclui pelo menos uma superfície de emissão de luz (81);
- (b) durante o uso, a superfície óptica refletiva produz imagens virtuais espacialmente separadas de porções espacialmente separadas da pelo menos uma superfície de emissão de luz para realizar a formação de não pupila, em foco para visualização próxima ao olho de imagens virtuais refletidas espacialmente separadas, pelo menos uma das imagens virtuais espacialmente separadas sendo angularmente separada de pelo menos uma outra das imagens virtuais espacialmente separadas em pelo menos 100 graus, a dita separação angular sendo medida a partir do centro de rotação do olho de um usuário nominal; e
- (c) em que a separação angular é de cerca de 200 graus.
Aparelho de visualização montado na cabeça, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:
pelo menos uma das imagens virtuais espacialmente separadas é angularmente separada de pelo menos uma outra das ima-gens virtuais espacialmente separadas em pelo menos 150 graus; e
pelo menos um ponto da superfície óptica refletiva (120) é angularmente separado de pelo menos outro ponto da superfície óptica refletiva em pelo menos 150 graus.
Aparelho de visualização montado na cabeça, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, durante o uso:
a pelo menos uma das imagens virtuais espacialmente separadas é localizada ao longo de uma direção do olhar que passa através do pelo menos um ponto da superfície óptica refletiva (120); e
pelo menos uma outra das imagens virtuais espacialmente separadas é localizada ao longo de uma direção do olhar que passa através do pelo menos um outro ponto da superfície ótica refletiva (120).
Aparelho de visualização montado na cabeça, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a superfície óptica refletiva (120) é semitransparente.
Aparelho de visualização montado na cabeça, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o aparelho tem uma e apenas uma superfície óptica refletiva (120).
Aparelho de visualização montado na cabeça, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o aparelho tem duas e apenas duas superfícies ópticas refletivas (120), uma para cada um dos olhos do usuário.
Aparelho de visualização montado na cabeça, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de visualização de imagem (110) está em uma relação fixa com a superfície óptica de espaço livre (120) e ainda compreende um sistema de visualização de imagem adicional e uma superfície óptica refletiva em relação fixa com o aparelho de visualização adicional.
Aparelho de visualização montado na cabeça, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a superfície óptica refletiva (120) de ângulo ultra-amplo e de espaço livre é configurada para pelo menos parcialmente colimar a luz emitida de pelo menos uma superfície de emissão de luz (81) do sistema de visualização de imagem.