安置在头上的光学系统 本发明总的说来涉及适于安置在头上的显示装置用的光学系统，更详细地说，本发明涉及但又并不仅仅涉及一种安置在头上的显示装置，它包括便于双眼观察单一液晶显示屏图象的光学系统。
安置在头上的用以观看计算机成象的显示装置的开发始于军用航空武器和飞行模拟系统领域。具有代表性地是，这类系统需要将计算机产生的图象通过光学组合器投影到覆盖了使用者视线的投影平面或表面上，例如象安全帽上的弧形面盔。一个这样地例子被表示在美国专利说明书5,050,966的图8中，其中安装在使用者安全帽头后部中的单一阴极射线管(CRT)，可以将反射光路传到使用者视线中的分束装置中。该分束器能让使用者用双眼观察被投影的CRT图象以及在其视线中的安全帽外的环境。应当理解，航空安全帽的设计能够容纳所述的光学装置。
然而在许多虚拟现实的应用中，当使用者在虚拟现实经历中进行一套连续完整动作时，这种规格的安全帽将会妨碍使用者在现场活动。此外，这样的设计由于需要将由CRT投影得比较好的图象叠加在使用者对外部环境的观察面上，所以这本来就很复杂。该说明书中公开的光学组合器的设计，还要受到要求使用者应能观察外部环境而眼睛不会疲劳的制约。由于这种要求，相关光学系统的设计必须在考虑此组合器结构的前提下，提供正确的性能。虚拟现实应用通常要求在低成本下行得通的最宽的视场。假如美国专利说明书5,050,966中表示的装置其视场需要扩展到约大于40°，那么由于对眼睛进行照明所需的一级特性和象差校正所要求的三级和更高级特性是必须的，故其光学设计会变得过于复杂。
在虚拟现实的连拱廓(arcade)游戏应用中，通常提供一种安置在头上的显示装置(HMD)，其中宽的视场是由两套光学系统提供的，每一光学系统包括许多透镜和一微型液晶显示屏(LCD)，以为使用者提供双眼观察象。目前这种虚拟现实运动应用正形成家庭市场，于是就需要让HMD的单价保持在最低。LCD是昂贵的元件，于是最好让低成本的HMD仅包括单个LCD而将双眼观察象送给使用者双眼。这样一种解决办法是在欧洲专利说明书EP0539907A2中提出来的。该说明书公开了一种表示在图2及3中的HMD，它包括LCD和安装在使用者鼻子前面的放大透镜，将LCD分开的完整象分别馈送给两块反射镜(每块反射镜安置在使用者相应的视线上)的分束镜，以及另外一些放大透镜，其中每一透镜被安装在两反射镜之一及其相应的眼睛中间。应当理解，所述方案提供的结构，其配置在眼睛前面的光学装置整体是笨重的。
欧洲专利说明书No.0539907中描述的方案，被理解为基本上是由分束棱镜的非旋转对称性局限于提供能够以适当性能被投影的视场。因此，使用者的两只眼看出的是以不同的远景投影出来的象，而且使用者往视场末端看过去时，将会看到双目中的两象相对尺寸间在垂直方向不一致。这种不一致乃是梭镜分束镜的基本性质，而且众所周知观察它会引起眼疲劳。因而这种类型的装置被局限在约对15°宽的视场进行投影，且对使用者产生受限感，闪烁感。
本发明的目的在于提供一种适用在安置于头上的显示装置中的光学系统，可用来与虚拟现实的软件应用相结合，至少能够克服现有技术中显示装置的上述某些缺点。本发明的另一目的在于提供一种适用于安置在头上的显示装置的光学系统，能从单一图象源投影出宽的视场。
根据本发明第一方面的安置在头上的显示装置，带有显示屏，其上面可以显示出视频图象；带有左、右两个出瞳，可在该出瞳处观察到上述视频图象的双目象，其特征在于：它包括一个垂直偏移的分束器，其具有第一及第二个反射表面，它们的平面相互倾斜，而且上述第一及第二反射面分别配置在其间伸展的轴线上方及下方；而且进一步包括至少一块凹面反射镜，这种安排的条件是，上述第一个反射表面与上述凹面反射镜配合，使来自上述显示屏的一条光路偏转，以容许在上述第一出瞳处观察到一个图象，而且上述第二个反射表面引起来自上述显示屏的另一条光路偏转，以容许在上述另一出瞳处观察到另一个图象。上述视频显示屏最好是安装在上述出瞳前方的微型液晶显示屏。
更为可取地是，上述显示装置包括左、右侧两块弯折反射镜；上述分束器的反射表面是半反射的反射镜；上述轴线通常是和配置在上述显示屏之前的凹面反射镜的光轴共同延伸的；上述出瞳被配置在凹面反射镜的前方或者后方；上述偏移的分束器被安置在上述显示屏和上述凹面反射镜的中间；上述弯折反射镜中的每一块被侧向配置在上述偏移分束器的两侧，这种安排的条件是，显示屏上显示一个原始图象，此原始图象被向前投影通过上述偏移分束器入射在上述凹面反射镜上，并由其将上述接收的图象进行反射和聚焦，被反射出来的图象随后入射在半反射的反射镜反射面上，并由其将此被反射出来的图象分成两条光路，其中第一条光路入射在左侧的弯折反射镜上，并由其将光反射给上述左出瞳；其中第二条光路则入射在右侧的弯折反射镜上，并由其将光反射给上述右出瞳。
上述装置进一步还可包括放大光学系统，适于放大由显示屏接收来的图象和/或将凹面反射镜所成的虚象准直。上述放大光学系统可以包括第一块透镜或透镜组以及第二块透镜或透镜组，而且前者被配置在上述左侧弯折反射镜和左出瞳的中间，后者被配置在上述右侧弯折反射镜和右出瞳的中间。每个透镜组中的一或多个透镜可以不是围绕其相应光轴旋转对称的，而且/或者此透镜组可以是能沿其相应光轴移动的，以对接收的图象进行调焦。
典型地是，上述一些半反射的反射镜基本上是相互垂直的，并可具有基本上为竖直的平反射表面。一般说来，上述显示屏是一种与凹面反射镜同轴安装的LCD视频显示器，而且上述左、右两侧的弯折反射镜可以是平面反射镜。
上述左侧弯折反射镜和左出瞳的中间另外可以配置一或多个弯折反射镜，上述右侧弯折反射镜和右出瞳的中间另外还配置一或多个弯折反射镜。可以为上述两块半反射的反射镜之一或两者提供角度调整，而且/或者至少上述两块弯折反射镜之一，能够对通过上述分束器中半反射反射镜由折射引起的光学不对中进行补偿。上述半反射反射镜外部表面的中间平面可以是不平行的。
上述装置另外还可包括一些档板，以屏蔽或者吸收有害的光线，而且上述左、右两侧的半反射的反射镜中的每个均可配备相应的棱镜。它另外还可以包括容许对左、右出瞳横向间距依瞳孔间距调整的装置。
典型地是，原始图象为具有线性偏振的物体，分束器适于反射一种偏振光而不适于反射另一种偏振光，而且在该分束器和凹面反射镜的中间配置一偏振延迟物体，这种安排是让此偏振延迟物体促进该分束器透过和反射的光强度提高。凹面反射镜可以是球面或者非球面，并可带有一个折射表面及一个反射表面，并且/或者配备以透镜/反射镜阵列。
上述装置另外可以包括一模压的框架，将显示屏、分束器、凹面反射镜、弯折反射镜和放大光学系统安装其上，以便精确地相对定位。
根据本发明另一方面的安置在头上的显示装置，与上述第一方面相匹配，其特征在于：单目放大光学系统按光学方式配置在上述显示屏前头，适于放大由其接收来的完整图象；上述偏移分束器适于将由此放大光学系统接收来的图象分成第一和第二条光路，与每一条光路对应的许多相关联的反射表面包括一个凹面反射镜表面，总起来适合在相关联的左或右出瞳处，容许以无限远焦点观察由偏移分束器接收来的相应图象，这种安排是使上述分束器的第一及第二反射表面中的每一个分别与上述第一或第二条光路对应，而且上述第一个反射表面被偏置在放大光学系统光轴的一例，上述第二个反射表面被偏置在该光轴的相反一侧；另外还使放大光学系统产生的视频图象畸变，被用来补偿上述凹反射镜表面引起的象差。
更为可取地是，上述分束器的第一及第二个反射表面为基本上相互垂直的平表面，而且每个平表面通常都是竖直的。典型的是，上述显示屏被配置在通常为水平的平面内，并且具有通常为竖直的光轴；上述放大光学系统的光轴通常是水平的，而且相对于水平和垂直两个方向倾斜的平面反射镜，被配置在上述显示屏和放大光学系统的中间，可使显示屏光轴的路程偏向，以致于其由该平面反射镜反射之后通常与放大光学系统的光轴重合伸展。
最好是使每一个相关联的许多反射表面，除了凹面反射镜之外，均包括第一块平面反射镜，由其将来自偏移分束器的图象通常以水平及向后的方式反射给第二块平面反射镜，并由第二块平面反射镜向下将此图象反射给半镀银的平面分束镜的反射表面，由其通常以水平及向前的方式将图象反射给上述凹的反射表面，然后通过半镀银平面分束镜反射而将上述图象准直，以致使该图象能在相关联的左或右出瞳处被观察到。
该显示屏可以是微型的液晶视频显示屏。其放大光学系统至少可以包括一个非球面的折射面，另外可以包括同轴安装的一组三个透镜。可以对三个透镜中每一透镜的材料成分进行选择，以使组合后被放大图象的色差变得最小。典型地是，被放大的图象可以按双目方式进行观察，视场的中央基本上没有视差。
根据本发明另一方面的安置在头上的显示装置，包括有显示屏，其上面可以显示出视频图象；包括单目放大的光学系统，按照光学方式配置在该显示屏前头，适于放大由其接收来的完整图象；包括第一个分束器，适于将由上述放大光学系统接收来的图象分成第一及第二条光路，与上述每一条光路对应的许多相关反射表面，包括凹反射镜表面，总起来适合在相关联的出瞳处，容许以无限远焦点观察由第一分束器接收来的相应图象，这种安排是使第一个分束器包括分别与上述第一及第二条光路对应的第一及第二个反射表面，两反射表面中间的平面则是相互倾斜的，另外还使放大光学系统产生的视频图象畸变，被用来补偿上述凹反射镜表面引起的象差。
在以下的具体描述中，所有的尺寸均以毫米给出，所有的角度以度数给出，除非另有表示或推知的以外，本发明的最佳实施例，现在将参照附图仅通过实例加以描述，其中，
图1为可被典型地安置在面盔型头托架上的第一实施例的光学元件的概略透视图；
图2为图1中表示的光学元件的光线跟踪图，用以说明由LCD到使用者右侧出瞳的垂直视图中观察到的光路；
图3为光线跟踪图，用以说明由LCD到右侧出瞳的水平平面内观察到的光路；
图4用图解法说明构成第一实施例一部分的平面反射镜式分束器结构；
图5通过许多相关联的图说明第一实施例中出瞳的最后形状；
图6a至6c示意说明本发明的第二实施例，其中每幅图是从所指明的不同方向看到的第二实施例；
图7a及7b通过第二实施例的两个视图表示从不同方向光线的跟踪；
图8为本发明第三实施例后部概略透视图；
图9通过第三实施例表示光学结构水平截面的光路；
图10通过第三实施例表示从不同点投影到物体上的出瞳形状和尺寸；
图11通过第三实施例表示光学结构的水平截面，以选定的光路说明如何使水平取向和对准的两个被投影图象相同；
图12为本发明第四实施例前部概略透视图；
图13通过第四实施例表示光学结构水平截面的光路；
图14通过第四实施例表示光学结构的水平截面，以选定的光路表示如何使水平取向和对准的两个被投影图象相同；
图15通过类似第四实施例的进一步实施例表示的水平截面，表示此处可以配置偏振选择元件，以改进光透射，以及
图16第三实施例表示光学结构实例的水平截面，其编号在下表A中涉及以识别光学表面。
应当理解，根据本发明描述的任一实施例的安置在头上的显示装置，适于戴在使用者的头上，其在使用中要经受住各方面的空间运动。因此，在以下的描述和权利要求书中，术语“垂直”和“水平”被认为是相互垂直取向，而且是涉及各元件相对空间配置的描述性术语。仅当该显示装置与标称的水平和垂直平面正确地对准时，它们才应当被赋予其严格的含义。而且在以下的描述中，“表面顶点”一词被定义为入射光光轴与任意给定的元件表面上的交点。
现在具体参见图1至7，目前将对带有垂直偏移的分束器和两块凹面反射镜的本发明实施例进行描述。第一个实施例的光学系统，图解表表示在图1中，它包括许多相对于使用者的右眼看上去被表示在图3中的元件。此光学系统具有三条主要轴线，其中X-X和A-A两条轴线被表示在图3中。作为光学系统中心线的轴线X-X，乃是放大系统的透镜组的光轴；轴线A-A则通过使用者右眼前方配置的平面分束镜13折射之后与其右眼的光轴对应。平面分束镜13的折射可以引起光路中的垂直偏移，从而使轴线A-A通常略比使用者右眼的中点高一些。第三条轴线B-B(未表示)在通过配置在使用者左眼前面的平面分束镜113折射之后，将与其左眼的光轴对应。在本实施例中，三条轴线相互平行而且水平，并且轴线A-A和B-B处在轴线X-X下方配置的同一个水平平面内。
放大系统包括由微型彩色视频液晶显示器1提供的视频图象显示屏、平面弯折反射镜(未表示)，以及由三块共轴安装的透镜2，3，4组成的放大透镜组。液晶显示器1平的前工作面通常面朝下，其光轴铅直，即垂直定向。平的弯折反射镜被配置在液晶显示屏1和透镜2，3，4之间，并且成45°角，以将液晶显示屏1的光轴通常以水平方式向前朝向透镜2，3，4投影，即沿着轴线X-X。
液晶显示屏1标称产生14.224mm×10.668mm高级图象，并且具有1.0mm厚的面板，该面板是仿形出来的，诸如用肖特玻璃K5(即其折射率约为1.52，阿贝色散值约为55)。上述平面弯折反射镜(未表示)的顶点，沿液晶显示器1光轴与该面板相隔13.6677mm。上述弯折反射镜具有同心配置在上述顶点周围的透明孔径，典型的尺寸沿其弦长36.0mm，宽26.0mm，而且上述弯折反射镜适于由镀以反光材料的抛光玻璃制造。上述弯折反射镜与第一块透镜表面顶点之间沿轴线X-X的距离为13.0mm。透镜2，3，4的表面组成列举如下，从最靠近液晶显示器1的表面开始，依照顺序表面形式球面曲率半径(mm)透明孔径直径(mm)与下一表面的间隔(mm) 材料凸球面21.6498248.26107聚丙烯凸非球面*21.1132243.49028空气凹球面34.5209242.98126聚碳酸酯凹球面25.401232.00745空气凸球面58.64662610聚丙烯凸球面19.6757267.18953空气
*非球面系数a4＝+6.064872e-0.5，以致于其表面下垂＝a4×y4处基础曲线的下垂，系数为正是将材料加在透镜边缘。
总体上是用5表示在图4中的第一个垂直偏移的分束器，被安装在透镜2，3，4的前部，并且包括两块平面反射镜6和7，其中每一平面反射镜都有相应的一个通常为后向竖直的镀银表面8，9。反射镜6和7彼此相对标称以90°角配置，且其反射镜6被配置在轴线X-X上方，反射镜7则配置在轴线X-X下方。在图3中反射镜7以连串轮廓线表示。表面8和9中的每一个均被配置在通常与水平轴线X-X偏离45°的垂直平面内。
此镀银的表面8和9标称在轴线X-X上的P点相交。图4中表示的轴线E-E′标称在P点与轴线X-X正交，并且沿着通常与轴线X-X和A-A共同的水平平面伸展。这种安排是使P点处反射表面8标称以45°角相对轴线E-E′配置，而且反射表面9标称以45°角相对轴线X-X配置。实际上为了适应制造公差，可以在P点的表面8和9之间提供一小的公隙。而且在本发明的其他一些实施例中，反射镜6和7的垂直方向配置可以颠倒。典型地是第一个分束器5的两块反射镜6，7可以作为一体进行模压，以确保其反射表面8，9精确的相对配置。
从操作上看，分束器5可以导致从轴线X-X上方由表面8接收的光通常以90°被反射向使用者的左眼，如光路CC′所示。同样，轴线X-X下方通过表面9接收的光，按照相反方向以90°被反射向使用者的右眼，如光路DD′所示。
与使用者右眼相关联的出瞳10，能够接收来自分束器5的表面8的由第一个光反射装置反射的图象，此第一个光反射装置依次包括第一块水平的弯折反射镜11、第一块垂直的弯折反射镜12、第二块平面分束镜13和第一块凹面反射镜14。同样地，与使用者左眼相关联的出瞳110，能够接收来自分束器5的表面9的由第二个光反射装置反射的图象，此第二个光反射装置乃是第一个光反射装置的反射象，并且依次包括第二块水平弯折反射镜111、第二块垂直弯折反射镜112、第二块平面分束镜113和第二块凹面反射镜114。第一个光反射装置的布局和运作随后将进行描述，它将被理解为图1表示的那样，第二个光反射装置则是第一个光反射装置的反转变型。
第一块水平弯折反射镜11是一块平面反射镜，带有面朝后垂直配置且与轴线X-X及A-A成45°倾斜的镀银表面15。光轴与此表面15的交点，与通过放大透镜2，3，4中心的光轴处在距离轴线A-A为同样的高度，只要上述光轴与轴线A-A平行。图2中表示的第一块垂直弯折反射镜12是一块平面反射镜，带有面朝前的镀银表面16，如图3中看到的那样沿着Z方向伸展，并且如图2中由笛卡儿座标代号限定的那样，相对于x和y方向倾斜。该反射镜可在透镜组2，3，4的上方伸展。镀银表面16的表面顶点与镀银表面15的表面顶点位于同一平面内，而且这两个顶点均位于通过水平轴线A-A的垂直平面内。
第二块分束镜13配备有面朝前的半镀银表面17，沿着Z方向伸展和在垂直方向上倾斜，将由第一块垂直弯折反射镜12接收来的光反射到第一块凹面反射镜14的反射表面18上。第二块分束镜13和第一块凹面反射镜14两者的表面顶点，均位于光轴A-A之上。第一个光反射装置中11，12，13，14这些元件相对于第一分束器5的表面8的这种空间布局，所提供的是液晶显示器1的放大象能够在第一个出瞳10处以无穷远焦点观察到。
由放大透镜2，3，4向前伸出去的光轴X-X，在距离透镜4最靠近表面顶点7.18953处，在两块分束平面镜6，7相接触边缘(图4中标称的P点)与平面镜6，7相交。这两块平面镜6和7离开光轴X-X垂直配置，即其一块在光轴之上一块在光轴之下，以将透镜2，3，4投影出来的图象分成两条分开的光路，从而提供两个再投影象。
如上所述，上述一个对应于表面8反射离开时得到的再投影象，沿侧向水平地朝着使用者右眼投影到第二块弯折反射镜11上面，并由其将此象水平向后反射到第三块弯折反射镜12上。此第三块弯折反射镜12将此象向下反射(但并非恰好垂直地)到平面分束镜13。该平面分束镜13将此象水平地向前反射给凹面反射镜14，并由其将此象水平地向后反射，通过上述平面分束镜13折射到出瞳10，此后进入使用者的右眼。将会理解，由于反射离开表面9的另一个再投影象的行程，类似地可以参照与出瞳110关联的相应元件加以描述。
为了更好地叙述明白第一实施例的运作过程，涉及图5中的图形。每一个出瞳10和110都有一个如图形20所示的标称的圆形出瞳，可以沿着眼睛向回直至第一个反射光束器5为止回溯跟踪该出瞳，这种场合下将会理解，大约只有出瞳20的一半受到反射，因为反射镜8和9是沿垂直方向偏移的。当对其进行轴上观察时，左方出瞳110将产生出被反射的出瞳形状21，与此类似，右方出瞳10将产生出被反射的出瞳形状22。典型情况下，由于这些分束反射镜和透镜性能之间的某种不一致，故对于并非平行于光轴投射的光束来说，出瞳将存在某种程度的渐晕。因此离轴观察时，对于左右两个出瞳110和10将分别产生出带阴影的出瞳形状23和24。
以上分析的结果将会由于本发明光学系统中分束元件和反光元件的配置而产生，出瞳110和10处被观察到的分别是图象25和26。将会注意，图象25及26位于出瞳110和10之间伸展的水平轴线X′-X′上。反射镜和分束镜的使用会引起图象旋转，如从表示被观察到的出瞳形状25和26中可以看到的那样。在上述设计的某些变型中，这种旋转可以导致其轴线之一逆转，但是这种效果对于上述两条光路中的每一条是相同的。因此，液晶显示图象的旋转及其围绕适当轴线逆转(如果需要的话)，足以把正确对准使用者的图象进行投影。
为简单起见，在描述光学系统一半的结构参数的过程中，我们规定笛卡儿座标系的起点在相关的出瞳处，并且具有平行于轴线A-A的水平的X轴、垂直的y轴，以及向内指向其它出瞳的水平的Z轴。应当指出，这些笛卡儿坐标轴并不是为了说明目的表示在附图中的那些。下表以毫米为单位分别给出每个元件光学表面顶点的笛卡儿坐标： 元件种类x坐标y坐标z坐标对与光轴垂直的表面在P0处所成的角度对x轴的角度对y轴的角度分束器用的反射镜107.1147.1633 32 45 90第二块弯折反射镜107.1154.163 0 45 90第三块弯折反射镜57.11354.163 0 52 38平面分束镜(反射表面)43.8070.797 0 38 52凹面反射镜83.8070.797 0 0 90平面分束镜(折射表面)43.8070.797 0 38 52平面分束镜(折射表面)400 0 38 52
对于光学系统另一半的坐标值，可以通过将上表中的Z轴反向计算出来，以致于光学表面与Z轴所成的角度完全保持一样，从而产生出光学系统上述第一半光路的镜面象。除对表中的值进行适当的数字换算之外，分束器用的反射镜必须垂直移动，以致其y坐标增加了14mm。
在使用中此光学系统能为使用者提供液晶显示屏的无限远焦点的双眼放大象。此光学系统的结构可以达到将两个双眼象间的任何视差减至最小的程度，特别是在视场的中心部分。可能遭受的任何外围畸变，必要时可以通过将此图象的外围遮蔽使其减小。
下表给出放大透镜2，3，4之后光路中存在的反射镜的形式： 元件表面形式 透明的孔径 材料 形状 宽度 高度分束器用的反射镜 平面 矩形 37 12塑料镀膜第二块弯折反射镜 平面 矩形 44 30抛光镀膜玻璃第三块弯折反射镜 平面 矩形39(向外22， 向内17) 61抛光镀膜玻璃平面分束镜(反射表面) 平面 矩形55(向外31， 向内24)63(向上26， 向下37)抛光镀膜玻璃凹面反射镜凹球面(r＝116.415) 矩形70(向外40， 向内30) 65塑料镀膜平面分束镜(折射表面) 平面 矩形45(向外25， 向内20)55(向上20， 向下35)抛光镀膜玻璃平面分束镜(折射表面) 平面 矩形45(向外25， 向内20)55(向上20， 向下35)抛光镀膜玻璃
通光孔径的水平方向宽度和垂直方向高度，是在每一光学表面的平面内测出来的，所以可能不是实际的水平宽度和垂直高度，虽然可以象图形描述的那样。为叙述简单起见，上表中的通光孔径尺寸是加大的。实际上的光路将使用比确定的要小的面积，但是矩形的孔径被规定为通常是在相关的光轴上定心。具体说来，分束器用的反射镜6并不将光束反射到第二块弯折反射镜的整个高度上面。然而被规定的孔径是围绕光轴对称的，因而将会通过光学系统两半中所有需要的光线。
平面分束器5中每块反射镜6和7的厚度，典型地分别为3mm，是沿垂直其相应的光学表面8和9的方向测出来的。遍及上述实施例使用的全反射涂层，通常是靠真空中溅射或蒸发镀铬或者铝到基片上而制成的。铝涂层一般将由其盖在上部暴露表面上的透明层作防腐蚀保护。半反射表面将按同样方式涂敷，但具有更加受控的金属厚度，为了改进其精度，趋于推荐使用蒸发沉积方法比溅射要好。另一方面，半反射表面可以通过镀介质膜工艺进行涂镀。
第一实施例的液晶显示器1、透镜2，3，4和反射镜8，9，11～14是安装在头上戴的面盔(未表示)中的，以提供轻型结构。该面盔进一步包括信号输入装置以驱动液晶显示，而且还可以包含位置敏感装置，以提供涉及使用者头部空间位置和方向的反馈。
在本发明的另一实施例(未表示)中，液晶显示器1可以和适于将液晶显示象反射向透镜组2，3，4的反射镜结合，平行于轴线X-X水平地安装。任何一个实施例中的液晶显示器都可以后向或者侧向发光。本发明人已经意识到，使用单液晶显示屏带来的成本节约，仅对于使用具有高分辨率的液晶显示器，能比通常对于双液晶显示器设计在成本方面可能有适度增加。有利地是，这样能使上述装置提供改进了的分辨率。
已经提出，在本发明更进一步的实施例中，凹面反射镜14及114本身可以是能让使用者接收到来自周围环境的入射光的半镀银分束镜，以致于LCD产生的图象被叠加在使用者的视线中。在这种情况下，每一凹面反射镜14，114理应为某种不透明的外表面，必须是光学平滑和被修整的，以对因光透过凹反射面发生折射引起的外围环境图象的象差进行补偿。这将导致每一凹面反射镜14，114的外表面一般要与相应的内反射面18，118平行。其它的设计可能具有外表面为半反射的，内表面18，118为透明的，以致于对于每一凹面反射镜(目前是凹面分束镜14或114)来说，相应的显示图象通过内表面折射，被反射离开外表面，然后再一次通过内表面折射，而外部的图象依次折射通过外表面和内表面。
上述第一个实施例是一个低成本的装置，其通常没有瞳孔间距调节，即由使用者调节出瞳10和110之间的距离。因此，出瞳10和110通常必须宽到足以适应宽范围瞳间距离的一些使用者观察而没有显著的渐晕。为了获得最佳性能，由两块平面反射镜6和7构成分束器5的这种安排，可以达到投影出如上所述，要求其沿竖向互相分开显示的最大出瞳宽度的程度。
图象是由单个LCD1产生的，并由上述配对的双目光学系统投影到使用者的每个眼中。此成对的光学系统之间应当没有显著的视差，因而光路方面的差异必须最小。由于构成分束器5的第一对平面反射镜6和7在垂直方向是偏移的，故需要让放大透镜聚焦，对以相等的垂直视场角投影到眼中的光线的高度进行匹配。这可以通过分别跟踪由每一出瞳10，110至LCD1的平行光线描光路，但同时又通过赋予不同的垂直光线坐标而模拟每一相应出瞳的垂直偏移来确定。光学系统的离焦，将引起光线以不同的高度与LCD1相交。这可以通过调节放大透镜2，3，4的位置使其坐标相同。
由于放大透镜2，3，4和凹面反射镜14，114中存在象差，故在使用时两只眼将会看到某种程度的图象形状畸变，但是，如果对于两只眼而言畸变相同，则其并不产生更要害的视差。当然，这将达到如上述设计标称具有相同象差的情况，尽管视差可以由加工误差引入。放大透镜2，3，4适合提供这样的情况，使相关联的虚象被投影在每块平面分束镜13，130的附近，而且它是LCD1的失真图象，并且对由相应凹面反射镜14，114反射引起的某些象差进行过补偿。随后凹面反射镜14，114将该虚象准直，并将放大透镜2，3，4孔径的象投影，以形成如上所述涉及图5的出瞳。
典型地是，与相当长的眼睛间隙(亦即每一第二平面分束镜13，113和对应出瞳10，110之间的相应距离)一起，上述实施例提供的宽视场超过50°。这是使用最少的元件组合达到的。通过由适合模压的塑料大量制造部件，所述光学系统的成本可以下降到例如与适合家用的消费品一致的水平。
在第一个实施例中，第二块平面分束镜13，113是由单块基片制成的。该基片上面被镀以将透光孔径分开而把每一图象分别投影到对应出瞳10，110所需要的膜层。因为大多数的使用者需要长的眼睛间隙，所以凹面反射镜14，114必须大到能对宽的视场进行反射，并将在装有该光学系统的安全帽结构的中间适当地会聚。最好将左、右两个凹面反射镜14，114整体模压。由于视场宽，故每一凹面反射镜14，114的宽度将干扰其对置的象，即由相应的另一凹面反射镜114，14反射的象。因此，让投影到每一出瞳10，110上的水平视场渐晕，可能是需要的。这样做之所以受到欢迎，是由于使用者的大脑将把一个图象的失掉部分用另一个图象进行补偿，即盲点将不被发觉。
表示在图6至7中的本发明第二实施例，是一个类似上述实施例的光学结构，可以将来自单个LCD300的被准直了的双目象投影到一宽的视场中。这种设计将参照图7进一步说明，即通过从使用者的眼睛(作为与标定的眼睛位置对应的出瞳301)到LCD300逆向追踪光线而确定其坐标的产生。因此，在以下的叙述中，对折射、反射术语和象差诱因的描述，可以有效地应用在从眼睛到LCD300的图象投影中，即次序颠倒的光路。由费马原理计算出来的光学性能，对于分析光沿相反方向从LCD300到出瞳301的传播是一样的。这里将只对该光学结构一半的运作进行详细描述，因为可以注意到，与之相同的元件及其相互作用，将对该结构的另外一半产生所需要的图象。
通过图6至7中表示的出瞳301用一只眼观察内部透镜孔径302的象(表示在图7a中)，它是轮廓分明的标称的圆形。出瞳301进一步还受到偏移反射镜组件303的渐晕，该组件303在结构和操作上都和第一实施例中的反射分束器5(如图4所示)相似。该组件303可以将出瞳的一半射向一只眼，另外一半射向另一只眼。
光线跟踪是从出瞳301开始的，光线在宽的视场范围内与平面分束镜304相交并且折射后通过它，随后该光线通过折射及反射而离开凹面反射镜305偏远处的外表面。为便于加工，平面分束镜304对此结构的两半是共用的，即其对两只眼是共用的，并且要求两块凹面反射镜305相互邻近地整体加工出来。随后光线往回反射到平面分束镜304，并在该处向上被反射向相应的平面反射镜306。凹面反射镜305具有会聚的光焦度，有助于将该光线会聚，以致于在受限的透镜孔径302范围内通过。由于这个原因，凹面反射镜305在靠近分束镜304处形成一带象差的虚象。
平面反射镜306将光线侧向反射入该光学结构的中间区域，并且反射到偏置的反射镜型分束镜组件303上。这再一次将该光线垂直反射，以致于平面反射镜306与分束镜组件303中相关反射镜的联合作用，不会引起有效的图象旋转或者奇偶误差(parity error)。这种光学结构的另外一半，是作为上述第一个一半的镜面象进行工作的，所利用的是该偏移分束镜组件303中的另外一块反射镜。该偏移分束镜组件303中的两块平面反射镜的排列，使受限的透镜孔径302顶部一半被反射进左眼，底部的一半被反射进右眼。这种排列方向，对于以其高度为代价覆盖最宽的使用者瞳距(IPD)变化来讲，使被投影的出瞳301宽度最大是所需要的。
在此第二实施例中，单目光学放大系统是由按顺序同轴排列的透镜307，308和309提供的。透镜309的孔径直接邻近并配置在分束镜组件303之上，提供以透镜孔径302。为了提供紧凑的设计，需要在透镜309和偏移的反射镜型分束镜组件303之间的空间中投影一相当宽的视场。因此，透镜309和偏移的反射镜型分束镜组件303纵向位置方面的任何不协调，都可能引起出瞳301形状方向的某种渐晕，因为它是跨过该视场被投影的。
视场的渐晕发生在凹面反射镜305的内侧边缘，即直接邻近另一凹面反射镜305处，它不可能向内延伸超出使用者平均瞳距之半而不侵犯相邻凹面反射镜所需要的孔径。平面分束镜304必须在出瞳301前方足够面向透光的护目镜和使用者的前额，从而要求凹面反射镜305甚至还要进一步朝前。因此，板限的内侧光线在遍及平均瞳距之半处与凹面反射镜305相交，而且必须是渐晕的。这就对该设计的使用提出了限制，因为使用者能够观察的渐晕图象是要求其大脑能对双目差异补偿的。而且偏移的分束镜组件303和透镜309之间的纵向不协调，还能引起垂直视场的渐晕。
由分束镜组件303的偏移反射镜反射的光线，将与透镜307，308和309相交。这些透镜可以是非球面的或者只有一些球面，尽管在此进一步实施例中只有透镜307是非球面的。由透镜307，308和309组成的中继透镜组，可以将凹面反射镜305形成的虚象按照一定方式投影到LCD300上，以便补偿凹面反射镜305引起的象差。初级象差补偿的发生，是由于凹面反射镜305引起的匹兹伐象场弯曲具有与中继透镜组产生的象差符号相反而形式相同。球差、彗差、象散和畸变也可被补偿，尽管人们相信最小的球差和畸变是由凹面反射镜305引起的。
凹面反射镜305是无色差的，那么透镜307，308和309总起来必须是基本上没有色差。中继透镜将来自最大的透镜孔径302的光线对于任意视场位置投影到出瞳301上面，从而造成随颜色变化焦点的高耸型色差，它有眼睛或者CGI软件所不能提供的补偿要求。为对此色差进行补偿(如果未被补偿，则可造成分辨率损失)，对于每一透镜307，308和309选择不同的材料。
使用上述结构，通过使凹面反射镜305成为一个分束护目镜(它具有一外部折射表面，与其反射表面小间隔地分开且接近平行)，其“看透”可能性是可行的，或者通过让外部的反射表面成为折射表面也行。在这些情况下，凹面反射镜305可以加工成带有半反射分束涂层的，可局部反射LCD的图象，局部透过外部的场面。
根据本发明第二实施例的典型光学设计，列表如下，从一个出瞳301开始，依次记录每一表面，以共用的LCD300结束。并不折射或反射的虚表面，被插入帮助分析，以带括号的D表示。需要指出，全部尺寸以毫米表示。
以下的说明涉及下表1：
*A--凸非球面半径＝17.0734；a4＝-1.886765e-0.7；a6＝-4.7606627e-0.8，其中负的系数增大透镜的边缘；
*B--凹非球面半径＝242.213；a4＝5.2127814e-0.5，其中正的系数增大透镜的边缘；
*C--凸非球面半径＝-20.1594；a4＝6.0394345e-0.5；a6＝4.742696-0.8，其中正的系数增大透镜的边缘。
表1，表面的数据表面编号曲率半径通光孔径至下一表面的距离随后空间的材料1(出瞳)无限大直径16.0 40空气2(D)无限大 0空气3无限大57×110 4.24264肖特BK7玻璃4无限大59×110 0空气5(D)无限大 50空气6-115.005/凹球面100×80 -50空气反射镜7无限大 0空气反射镜8(D)无限大66×110 40空气9(D)无限大 8.36236空气10(D)无限大 -8.36236空气反射镜11(D)无限大52×34(垂直偏移5) -32空气12(D)无限大 0空气13(D)无限大 0空气14(D)无限大 0空气15(D)无限大 0空气16无限大 0空气反射镜17(D)无限大32×19 0空气18(D)无限大 10空气19(D)无限大 7空气20凸的非球面(参见上述*A)直径26 10聚丙烯21-51.2707/凸球面直径26 2.02565空气22-32.0474/凹球面直径23 2.98聚碳酸酯23凹的非球面(参见以上*B)直径24 5.28645空气24+20.26225/凸球面直径24 8.26聚丙烯25凸的非球面(参见以上*C)直径24 13空气26(D)无限大 0.94559空气27(D)无限大 -0.657空气28无限大20×20 1肖特K5玻璃29无限大14.224×10.668空气
表2，坐标
在顶点处与光轴垂直的
表面与x轴或y轴所成角
度，表面 ‘x’ ‘y’ ‘z’ 对x轴 对y轴序号 坐标 坐标e 坐标 的角度 的角度1 0 0 0 0 902 40 1.007 0 0 903 40 1.007 0 45 454 44.243 1.007 0 45 455 44.243 1.007 0 0 906 94.243 1.007 0 0 907 44.243 1.007 0 45 458 44.243 1.007 0 90 09 44.243 41.0007 0 90 010 44.243 49.363 0 90 37.67711 44.243 41.0007 0 90 9012 44.243 41.0007 32 90 13513 24.243 41.0007 32 90 13514 44.243 41.0007 32 90 9015 44.243 41.0007 32 90 37.65916 34.243 41.0007 32 90 37.65917 44.243 41.0007 32 90 9018 44.243 41.0007 32 90 019 24.243 51.0007 32 90 020 44.243 58.0007 32 90 021 44.243 68.0007 32 90 022 44.243 70.0263 32 90 0 23 44.243 73.0063 32 90 024 44.243 78.2928 32 90 025 44.243 86.5528 32 90 026 44.243 99.5528 32 90 027 44.243 100.498 32 90 028 44.243 99.8414 32 90 0 29 44.243 100.841 32 90 0
上表2列举的是上表1中给出的每一表面顶点的球坐标。这些坐标是相对于其原点位于出瞳301处的笛卡儿坐标系给出的。其X轴由原点向前伸展，y轴向上伸展，z轴向内朝向另一个出瞳伸展。需要指出，所有的尺寸是毫米计，所有的角度以度数计。
在本发明的上述一些实施例中，平面分束器5和302中的每一个被描述为垂直偏移的反射镜型分束器组件，带有两块垂直配置而且相互垂直的平面反射镜。应当理解，本发明的范围如权利要求所述应当包括某些设计变型，其中这类分束器可以带有非平面的反射表面，而且这两个反射表面可以是相互间能进行旋转和成一定角度地调节的。详细地说，旋转调节例如将容许调节瞳间距。
现在参见图8至16，本发明的实施例将以双目放大器的形式进行描述，它包括类似图4所示的垂直偏移分束器，但带有半镀银的反射表面且另外带有单块凹面反射镜。这样的放大器可被引入适于虚拟现实应用的安置在头上的面盔型显示器，其中来自LCD视频显示屏的图象提供的目标，可以双眼方式通过观察者戴的面盔孔或者接目镜观察到。另一方面，此双目放大器可以有其它一些使用和/或应用，而且权利要求中对于使用在安置在头上的显示器中的任何限制，不应当阻止或者排除其应用将权利要求放宽在此应用或由其派生的任何分开的应用中，以包括其它一些这样的应用。这样的放大器可以在很宽范围的产业中使用，其中的图象必须以接近无限远共轭的方式进行投影。
在图8、9和11表示的第三实施例中，被观察的物体比凹面反射镜更靠近观察者，而在图12，13和14表示的第四实施例中，物体比凹面反射镜更远离观察者。以下的描述涉及第三及第四两个实施例，因此相同的编号表示相应附图中的相同部件。
为了减轻对通过本发明实施例的光路计算和确定光学元件相对位置起见，光轴被规定为一条沿出瞳法线方向离开出瞳的光线，它通过常规的折射及反射经过所述光学结构向后，沿逆方向追溯到投影点。存在两条这样的光轴，分别涉及左、右两个出瞳。这些光路实际上是一种数字模型而不是实际发生的，因为分束器的孔径使其渐晕并阻碍它。如将要描述的那样，垂直偏移分束器装置的使用，将造成被投影的出瞳形状围绕相应光轴为非对称的。
参照图8和9以及12和13，从物体501投影到观察者两眼之一中的光，将通过半反射分束镜502并照射到球面或者非球面的凹面反射镜503上，由其反射和聚焦出该物体的象。物体501的被放大的虚象形成在光轴509(典型地是观察者上述一只眼的光轴)上靠近点504。由凹面反射镜503反射的光再一次相交在半反射分束镜502上，此处的部分光以接近90°被反射回它的起始路程。被反射的象则由平面反射镜510反射到相关联的目镜子部件505，此子部件505是由两块相同的透镜506(局部切去表示)构成的。目镜子部件505将虚象504准直并投影到眼中，从而形成一作为凹面反射镜和分束器组合形状的实象的出瞳507。第二块半反射的分束镜508被直接配置在第一块分束镜502的下方，以其相应的半镀银的反射表面基本上相互垂直，每一表面均垂直配置。分束镜508沿相反方向将光轴509反射到分束镜502产生的光轴。将会理解，分束镜502和508一起形成与图4所示分束器类似的垂直偏移分束器，但差别在于其功能，因其反射表面是半镀银的，即允许光在一个方向上透过而在另一个方向上反射。
可能观察者会觉察到光沿着无用的光路通过双目放大器，以致于所成之象与其它象合成的象是不对中的或者离焦，于是可以将薄而且平的遮光板邻近分束镜502和508放置，以阻挡向上的光线。由分束镜502不正常地反射到目镜顶部的光，可以通过将薄的遮光板放在与物体法向对准并使光路上部一半渐晕而被阻挡。由分束镜508正确反射的光，则将在上述遮光板的下面通过。与此类似，可以将遮光板放在邻近分束镜508，以阻挡下部的反射进入顶部光路。通过一块分束镜并由另一分束镜反射的光，可以通过将一遮光板水平地对准并放在两块分束镜502和508之间而被阻挡。
参见图9及13，平面反射镜510，分束镜502和508以及凹面反射镜503的水平宽度可以选择，以对511表示的没有渐晕的受限光线进行投影。
图10表示作为第三实施例的被投影出瞳的结果尺寸。在图10中，典型的物体521被表示为具有516，517，518，519和520五个代表点。出瞳的尺寸是计算出来的，即从出瞳开始，通过依次光线追迹到每一个点并计算光线被光学元件渐晕以及被透射或反射。图10中被一些线525，526，527，528及529所包围的覆盖区域，表示被计算出来的分别由物体上的一些点516，517，518，519及520被投影的出瞳的范围，即点516投影成出瞳525，点517投影成出瞳526等。
圆524代表标称的出瞳，对于所表示的光学结构为直径20毫米，且与光轴509对中。光轴509与出瞳在点522处相交，而点523是当观察者眼球被安排在对投影象最佳观察位置时为其中心而估算的位置。点522和523在所表示的所有图中均处在同一位置。
被观察到的图象一条轴线的方向是相反的，是由于相应的半反射分束镜502或508和平面反射镜510的组合效果。此外，整个图象由于在504处形成中间象的作用而被倒转。它可以通过对在LCD物体上显示的图象进行调节而被补偿，即其可被倒向以便“后面朝前”，从而仅使其一条轴线上的图象反转。另一方面，图象的一条轴线被反转，可以通过将一附加平面反射镜放在邻近物体的光路中，或者将其放在“目镜”和相应的分束镜502或508之间的每一光路中来实现。
图11表示，彼此平行的象被观察者的双眼看到。在此第三个实施例中，分束镜502和508并不精确地相互垂直，从而可对通过分束镜时由折射引起的水平偏移进行校正。两条光轴509沿平行方向由出瞳507后向追迹到物体，并且以稍有区别的光路509a和509b被反射离开分束镜502和508。光路509a和509b由凹面反射镜503向回反射，通过分束镜502和508在物体524上交在同一点。在此第三实施例中，光学系统两半部分中的光轴509是相互平行的，即其两半部分与观察者的左、右眼对应，分别从出瞳507到平面反射镜510，并从平面反射镜510到分束镜502或508。水平光线512沿平行方向进入每只眼，并可看出，它们是来自物体上面同一点的。显然，每一图象的垂直取向是相同的。同样，由第四实施例投影出来的两图象也是平行的，如从图14中可以看到的那样，其中两条水平光线513来自于物体上的同一点，并且彼此平行地进入左、右眼。
在上述第三及第四实施例中，透光率通常局限在LCD物体亮度的25％以下，因为光在每一光路中不得不透过相同分束镜和被反射掉。为了使透射率最大，每块分束镜502和508的反射和透射两者必须尽可能接近50％。有利地是，假如使用适合的偏光元件，那么LCD发出的线偏振光可容许提高其透光率。
偏光元件可以增加以改进透过率，如图15所示。此处以LCD501的形式存在的物体，将线偏振器514结合在一起。它通常将光偏振，以致于LCD的电场被垂直地排列。现在光通过偏振分束器502透射到放在凹面反射镜503之前的1/4波片515上。此1/4波片515在光反射回分束器502之前使其偏振面旋转90°。这种新的偏振光是受分束器502有选择地进行反射的。此分束器涂层可以廉价地由单层的氧化钛制成。
不一定要使凹面反射镜503为单一元件。在上述这些实施例中，它是简单的球面，使光反射离开最靠近物体的反射表面。象差校正，可以通过使上述表面成为非球面或者增加更多的光学表面来矫正。例如，反射镜503可以带有能够将光透到后部反射表面的前反射面。此外，可以在凹反射表面和LCD物体的中间放置一或更多块透镜。
作为第三实施例的双目放大器一半的光学结构，在下表A中给出，其所参考的结构表示在图16中。该表相对于采用直线(x，y，z)坐标的原点，依次给出每一表面顶点或中心位置的坐标。原点被规定为出瞳上的一点，x轴被规定为与上述出瞳垂直。表A包括9行，即依次为：
如图16中表示的表面编号；
光学表面的曲率半径(正号为凸的，负为凹的)；
光学表面的孔径大小(d指直径，如为矩形，则h指水平尺寸而v指垂直尺寸)；
光学表面顶点相对原点的x坐标；
光学表面顶点相对原点的y坐标；
光学表面顶点相对原点的z坐标；
以度数表示的光学表面与原点x轴构成的角度；
限定两光学表面之间空间的材料，以及
上述材料在587.6毫微米波长钠的d谱线下的折射率。
表A中最后两行是指该表面编号给定的随后空间，即为表面4(S4)指定的材料是在表面4和5(S4-S5)的中间去寻找。表面S3及S4相同，且为非球面。表B给出用在下面公式中限定该表面的非球面系数。表C给出物体的大小及由表A给出的结构投影出来的视场。
表面的弯曲，被定义为由垂直于光轴且包括光学表面顶点的平面至该表面上任意点的距离。弯曲是沿垂直于上述平面的方向被测量的。顶点被定义为光轴与光学表面的交点。如果光学表面上任意一点沿垂于光轴方向至光轴的距离被规定为R，由表A中列举的曲率半径限定的球面的弯曲为S，则实际上的非球面的弯曲由下式给出：
非球面弯曲＝S+[a4×R4]+[a6×R6]式中R4意指R的四次方，R6意指R的六次方，a4及a6为非球面系数，正系数是使透镜的厚度减小。
表A：描述双目放大器结构的数据表面编号曲率半径孔径 XYZ角度材料折射率S1无限大20d 00090空气1S273.39942d 300090聚丙烯1.490082S333.65142d 400090空气1S433.65142d 410090聚丙烯1.490082S573.39942d 510090空气1S6无限大32h×32v 910045空气1S7无限大56h×30v 95.98-36.921544.6空气1S8-70.72252h×70v 121-32090空气1S9无限大56h×30v 95.98-36.921544.6冕牌玻璃1.522489S10无限大56h×30v 94.93-37.981544.6空气1S11无限大15h×11v 59.9-32090空气1
表B：表A中给定的表面S3及S4的非球面系数 非球面系数a4 非球面系数a6(单位：毫米-3)(单位：毫米-6)-4.901794e-0.6-3.678384e-0.9
表C：表A中给出的双目放大器结构的视场水平视场垂直视场(度)(度)45.233.5
当半反射的分束镜502和508透过光时，它们起的作用是围绕光轴为非旋转对称的元件，从而引入非旋转对称象差。通过使用由低折射率材料制成的比较薄的分束镜502，508，这种象差可以保持在很小。因此，厚度小于3毫米的冕玻璃分束镜是所需要的。上述非旋转对称性还可使透射光路侧向偏离。由物体LCD的中心通过分束镜502，508投影出来的水平照准的光，将发生水平偏离，但是进入左侧“目镜”的光将沿与进入右侧“目镜”光相反的方向被偏离。这就造成由物体中心投影到每只眼的光路不对中，除非进行过补偿。
一种补偿方法是将每块目镜和平面反射镜510围绕光轴与该平面反射镜的交点旋转，以使被投影在每只眼的视场与投影在另一只眼的视场以相等且相反的角度偏离。这就在两个投影象之间产生出角度差，以对分束镜引入的角度误差进行补偿。另一方面，如上所述，参照图11，分束镜502和508的相对角度配置可以是非垂直的，以对被反射象潜在的角度不对中进行补偿。
本发明的一些实施例提供的优点超过传统光学设计，是靠提供小物体的高放大率、紧凑的设计和宽的视场，而使用的是低成本的元件。本发明描述的实施例涉及比眼睛瞳间距小的单一物体的双目放大，即该物体典型地小于25毫米宽。被投影的视场最好大于30°。这就要求这样的光学设计具有小于50毫米的焦距，尽管典型地大于20毫米。因此，为每只眼安装有单独的透镜组件的普通双目放大器是不可行的，因其与最大的可行焦距相比，眼间距太大。
在上述这些实施例中，两个投影象之间的不对中及其对应的象差一般都足够小，可允许观察者长时间使用该装置而不会眼疲劳。所需要地是，并不需要通过调节来匹配观察者的瞳间距或焦点。有利地是，根据本发明的设计可以将图象投影到足够大的出瞳上面，以排除任何对瞳距调整的需要，并且具有足够的眼间隙(即由最后光学表面至使用者眼睛的距离)，以允许使用者佩戴眼镜。
上述垂直偏移分束器的好处在于，图象经受半反射和/或半透射的次数被保持在最少，从而使最终图象的亮度改善。在上述设计中，光学元件通常被保持在围绕共同的LCD光轴双称(虽然这并非最重要的)。因此，相应的垂直偏移分束器将可行光路的上部一半投影到一块“目镜”，下部一半投影到另一块“目镜”，从而使光束渐晕。每一目镜将物体的象投影到出瞳上，出瞳本身则是对应凹面反射镜和分束器的实象。
因此，确定每只眼处被投影光束大小的每个出瞳，其大小为分束器侧向偏移所平分。出瞳的顶部一半被投影到一只眼，底部的一半投影到另一只眼。连接观察者两只眼中心的轴线被保持在水平，是依靠转动整个光学设计组件以补偿任何垂直偏移，并依靠与上转动方向相反地转动物体LCD以保持显示图象与水平轴对准。