CN106662745A - 近眼显示系统的紧致体系结构 - Google Patents

Abstract

目镜的目镜体包括：输入透镜，定位为沿前向传播路径将显示光耦合于目镜体中；凹末端反射器，设置在从输入透镜看去目镜体的相反的一端，以沿反向传播路径反射回显示光；以及观看区域，包括部分反射表面，该部分反射表面沿发射路径将沿反向传播路径行进的显示光的至少一部分重定向到目镜体的眼睛朝向侧之外。该部分反射表面相对眼睛朝向侧偏斜成角，并且该凹末端反射器相对目镜体的顶或者底表面倾斜，以共同促使显示光的发射路径在两个正交维度中与眼睛朝向侧的法向量偏斜。

Description

近眼显示系统的紧致体系结构

技术领域

本公开一般涉及光学领域，并具体但不排他地涉及头戴显示器。

背景技术

·头戴显示器(“HMD”)(也将其称为可头佩显示器)是一种佩戴在头上或者头周围的显示器。HMD通常并入了某种近眼光学系统，以在人眼几厘米的范围内发射光图像。将单眼显示器称为单目HMD，而将双眼显示器称为双目HMD。某些HMD显示器仅显示计算机生成的图像(“CGI”)，同时阻挡用户的外部视域。通常将这些HMD显示器称为虚拟现实(“VR”)显示器。其它HMD能够在真实世界视域上叠加CGI。这一后者类型的HMD能够用作实现增强现实(“AR”)的硬件平台。使用AR，通过重叠CGI增强该世界的观看者的图像。用于称谓各种类型HMD的另一个术语是头上显示器(“HUD”)。HUD是准许用户在无需向下看(或按照别的方式使他们的目光明显离开他们的头部前上位置)的情况下观看CGI的任何一种显示器。VR和ARHMD两者能作为HUD加以实现。

HMD具有诸多实际的和休闲方面的应用。航空航天应用准许飞行员在无需令他们的视线离开飞行路径的情况下观看重要的飞行控制信息。公共安全方面的应用包括地图和热成像的多变的显示。其它应用领域包括视频游戏、运输、以及电信。随着技术的演进，必然存在新发现的实际的和休闲方面的应用；然而，由于用于实现现存HMD的传统光学系统的成本、大小、重量、有限的视域、小的眼睛盒、或者低效率，这些应用中的许多应用受到限制。特别是，传统的HMD通常限制了用户的外部世界视域，从而使它们在常规日常活动期间难以佩戴。

发明内容

附图说明

将参照以下附图，描述本发明的非限制性和非穷举性的实施例，其中，在各个图中，相同的附图标记指代相同的部分，除非另行加以指明。不必按比例绘图，而将重点放在对所描述的原理的说明上。

图1A～C说明了根据本公开实施例的用于从用户眼睛偏移佩戴的可头佩显示器的不同的图。

图2A～C说明了根据本公开实施例的沿在两个维度中倾斜的倾斜发射路径输出显示光的用于可头佩显示器的目镜的不同侧/横截面图。

图3是说明了根据本公开实施例的沿双倾斜的发射路径输出显示光的目镜的操作过程的流程图。

图4A～C说明了根据本公开实施例的用于沿双倾斜的发射路径将显示光反射到目镜之外的部分反射表面和末端反射器的各个图。

具体实施方式

此处描述了沿在两个维度中倾斜的倾斜的发射路径输出显示光的可头佩显示器的目镜的操作的装置、系统、以及方法的实施例。在以下的描述中，阐述了诸多具体细节，以提供对所述实施例的全面了解。然而，本领域技术人员将认识到，能在不采用所述具体细节的一个或多个、或者采用其它方法、部件、材料等的情况下，实践此处所描述的技术。在其他实例中，为了避免某些方面的模糊，未详细示出或者描述公知结构、材料、或者操作。

在整个该说明书中，对“一个实施例”或者“实施例”的提及，意味着结合该实施例所描述的某一特征、结构、或特性被包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个该说明书中的各个地方，短语“在一个实施例中”或者“在实施例中”的出现，不必全都指代同一实施例。另外，在一个或多个实施例中，可以按任何合适的方式将所述某一特征、结构、或特性加以组合。

图1A～C说明了根据本公开实施例的可头佩显示器100，其支撑从用户的(两个)眼睛101偏移的目镜，并且沿在两个维度中倾斜的倾斜发射路径发射显示光。显示器100的所说明的实施例包括通过框架组件支撑在用户头上的电子外壳105和目镜110。所说明的框架组件包括右耳臂115A、左耳臂115B、以及鼻中120。可以将显示器100作为包括用于向单眼101(所说明的)显示显示光125的单目镜110的单目实施例加以实现，或者作为包括用于向双眼(未说明)显示显示光的双目镜110的双目实施例加以实现。

将电子外壳105和目镜110固定在能够佩戴在用户的头上(在用户眼睛101之上(所说明的)或者在用户眼睛101之下(未说明的))的眼镜配置中。左右耳臂架在用户的耳朵上，同时鼻中120架在用户的鼻子上。框架组件被成形和定好尺寸，以将目镜110定位在用户的中心向前视线之上(或者之下)的近眼配置中。当然，也可以使用具有其它形状的其它框架组件(例如，单连续耳机装置、发带、护目镜型眼镜等)。将目镜110定位在用户的眼睛之上，显示器100不会束缚用户的向前视线的横向视野(“FOV”)。将目镜110设计为沿朝向用户眼睛101向下倾斜的发射路径发射显示光125。通过倾斜位于目镜100远端的末端反射器，实现垂直倾斜的发射路径(以下将对其加以讨论)。目镜110的外侧表面可以维持垂直的或者接近垂直位置，即使发射路径向下成角，从而改进显示器100的工业设计，并且维持令人满意的美观性。为了看到显示光125，用户仅需将他们的注视向上(或者，在目镜110悬挂在眼睛之下的的情况下为向下)倾斜水平线130之上的注视角度β，与从目镜110发射的显示光125的向下的倾斜角度δ对准。在一个实施例中，将框架组件设计为相对于眼睛101保持目镜110，使得当用户将他们的注视角度β抬起对应角度时，倾斜角度δ＝-6.7度±1度将把图像中心定位于眼睛101上。换句话说，为了看到CGI光101，可以实现其它垂直倾斜角度。

如图1C中所说明的，也将目镜110安装于框架组件，使得其接近电子外壳105的近端朝用户的太阳穴向内成角(内倾)。而且，这一内倾配置能改进显示器100的工业设计，因为目镜110更紧密地接合用户的头的轮廓。在所说明的实施例中，目镜110呈矩形盒子形状，具有平直的、平面的顶部、底部、眼睛朝向、以及景象侧表面。于是，显示光125的发射路径也沿水平平面相对目镜110的眼睛朝向侧的法向量140偏斜成角。通过向矩形盒子形状目镜内执行双偏斜角弯曲，改进了工业设计和美观性、以及眼睛的安全性。由于没有将不规则形状的目镜定位在用户的眼睛附近以实现沿双轴弯曲的偏斜光，所以改进了眼睛的安全性。

显示器100的所说明的实施例能够以头上显示器(“HUD”)的形式、在没有对他们的向前视线过度妨碍的情况下向用户显示显示图像(例如，计算机生成的图像)。在一个实施例中，目镜110的观看区域为部分透明的，其还准许用户通过目镜110看到外部真实世界，即使当他们向上看时。当向上看时，作为增强现实，用户可以将显示光125看成叠加在真实世界上的虚拟图像。在某些实施例中，目镜110可以是不透明的，并且可以阻挡他们向上的外部视线。电子外壳105可以容纳用于操作显示器100的各种电子部件，例如，电源、图形引擎、微处理器、输入/输出电路、无线收发器、存储器、显示面板等。

图2A～C说明了根据本公开实施例的、沿在两个维度中倾斜的倾斜发射路径输出显示光的目镜200的各个侧/横截面图。目镜200是图1A～C中所说明的目镜110的一个可能的实现。目镜200的所说明的实施例包括显示面板205和目镜体207。目镜体207的所说明的实施例包括光中继部件210、观看区域215、末端反射器225、以及输入透镜230。光中继部件210的所说明的实施例包括小部件235、光挡板240、以及大部件245。观看区域215的所说明的实施例是具有外耦合光束分离器的透明区域，其中外耦合光束分离器具有部分反射表面275。观看区域215包括眼睛朝向侧271和外景侧274，其中，眼睛朝向侧271用于显示光125朝向眼睛101的发射，在某些实施例中，环境光276可以通过外景侧274。

在所说明的实施例中，光中继部件210和观看区域215由在其间设置部分反射表面275的偏斜界面处一起配对的两个镜片(例如，塑料或者玻璃镜片)制成。在所说明的实施例中，光中继部件210也由在其中小部件235渐进到大部件245的界面250处一起配对的两个镜片(例如，塑料或者玻璃镜片)制成。在其它实施例中，小和大部件235和245可以由一个单片电路部件制造。

图2A～2C说明了其中目镜200的各部件为具有直角外边的立方体的实施例。例如，眼睛朝向侧271、外景侧274、以及顶表面270和底表面273(参见图2B)为平直的平面表面。在其它实施例中，目镜200的各种部件和外表面中的一个或多个可以具有一个或多个非直角外边(例如，平行四边形)或者曲率。

在所说明的实施例中，末端反射器225是形成于目镜体207远端的凹透镜表面(例如，涂有金属的表面)。将末端反射器225倾斜或歪斜角度ω(见图2B)，从而使其从末端反射器225的中点延伸的法向量227不平行于顶表面270或者底表面273。在所说明的实施例中，对于其中目镜200位于眼睛101之上的HMD配置，法向量227指向朝下。对于沿垂直维度向下偏斜成角δ＝6.7度的显示光125的发射路径，可以将末端反射器225倾斜角度ω＝2.1度。当然，也可以针对ω和δ实现其它倾斜角度。

在所说明的实施例中，将部分反射表面275作为非偏振选择性光束分离器(例如50/50光束分离器)加以实现。为了实现沿水平维度向左或者右偏斜成角的显示光125的发射路径，部分反射表面275相对眼睛朝向侧271、以从45度的偏移偏斜成角。例如，眼睛朝向侧271和部分反射表面275之间的角度φ可以为φ＝43度，以实现沿水平维度中相对法向量140倾斜角度θ＝6度。这一倾斜允许目镜200的显示面板205附近的目镜体207的近端朝向用户的太阳穴内倾6度，同时准许用户向前直视，以看到显示光125。使得部分反射表面275沿相反方向超过45度成角，将准许目镜体207的近端外倾。当然，对于φ，也可以实现其它倾斜角度。在其它实施例中，当偏振显示光125时，可以将部分反射表面275作为偏振光束分离器(“PBS”)加以实现。

定位输入透镜230以将从显示面板205输出的显示光125耦合于目镜体207内。在一个实施例中，输入透镜230是具有沿穿过目镜体207的前向传播路径将显示光125定向到末端反射器225的光功率的球面透镜。输入透镜230提供有助于调整目镜体207的长度D1与/或显示面板205的有效面积大小、同时维持固定视野的机构。而且，通过围绕Z轴、将输入透镜230在X-Y平面倾斜倾斜角引入色度补偿，以抵消末端反射器225的倾斜角度ω所引入的色度失真。换句话说，从输入透镜230的中点延伸的法向量231相对顶表面270或者底表面273偏斜倾斜，并且与显示面板205偏斜相交。在所说明的实施例中，沿与法向量227相反的或者互补的方向倾斜法向量231，以提供色度补偿。在一个实施例中，倾斜角度。

输入透镜230具有至少部分地根据显示面板205的大小、目镜体207的大小、目镜体207的折射率、以及末端反射器225的光功率所确定的曲率。在一个实施例中，输入透镜230具有R1＝14.2mm的曲率半径，显示面板205具有D5＝3.2mm×D2＝5.8mm的有效面积大小，目镜体207具有D1＝32mm、D3＝8mm、D4＝10mm的大小，显示面板205从输入透镜230偏移并具有4mm的气隙，末端反射器225具有R2＝65.2mm的曲率半径，并且目镜体207由光度Zeonex-E48R形成。这一实施例提供了大约4mm的眼睛盒直径、15-25mm的眼睛间隙，以及大约15度的视野。当然，以上的维度、角度、曲率、以及材料仅为说明性的，也可以根据设计选择使用其它维度、角度、曲率、以及材料。

图3是说明了根据本公开实施例的目镜200的操作的过程300的流程图。参照图2A～C描述过程300。不应该将过程300中的某些或者全部过程框出现的次序视为限制性的。显然，受益于本公开的本领域技术人员将理解可以按未加以说明的各个次序或者甚至是并行地执行某些过程框。

在过程框305中，显示面板205朝输入透镜230输出显示光125。可以使用各种微显示技术实现显示面板205。所述微显示技术包括硅上液晶(“LCoS”)面板、数字微镜显示器、有机发光二极管(“OLED”)显示器、微LED显示器、液晶显示器(“LCD”)等。

在过程框310中，经由输入透镜230将显示光125耦合于目镜体207内。输入透镜230还聚焦显示光125，以控制用户所见视野，并且给予颜色补偿。

在过程框315中，显示光125朝观看区域215沿前向传播路径向下传播至光中继部件210。在所说明的实施例中，在光中继部件210中沿前向传播路径定向显示光125，而无需全内反射(“TIR”)。换句话说，输入透镜230限定了显示光125所形成的光锥的横截面形状和分散度，从而使光线到达末端反射器225，而无需离开光中继部件210各侧的TIR。

光中继部件210和观看区域215可以由多种材料制造，所述材料包括玻璃、光度塑料、熔凝硅石、PMMA、Zeonex-E48R等。可以根据一般成人的太阳穴-眼睛间隔选择光中继部件210的长度。按大约15至25mm的眼睛间隙根据太阳穴-眼睛间隔和所希望的视野，选择输入透镜230和末端反射器225的组合的光功率。

光中继部件210的所说明的实施例包括设置在大部件245和小部件235之间的阶梯界面250周围的这两个部件的暴露的边缘上的光挡板240。光挡板240减少了泄漏于光中继部件210中的外部光。光挡板240可以是围绕小部件235延伸的不光滑的不透明涂料、不透明的套环等。在其它实施例中，光中继部件210可以不包括小部件235，而是与大和小横截面之间的结合处的陡阶梯相比，光中继部件210的整个长度可以具有连续的斜坡横截面或者固定大小的横截面。在一个实施例中，输入透镜230具有7mm×7mm的横截面大小，并且大部件245和小部件235之间的阶梯大约为1.5mm。也可以实现其它维度。

在过程框315中，显示光125越过观看区域215，并且通过部分反射表面275。当然，在其中部分反射表面275为50/50光束分离器的实施例中，光的一半透射到末端反射器225，而另一半被反射出外景侧274。在其中部分反射表面275为PBS(未加以说明)的实施例中，可以在部分反射表面275和末端反射器225之间包括1/4波片偏振旋转器。

在过程框320中，末端反射器225沿反向传播路径将显示光125反射回去。在一个实施例中，末端反射器225是凹面反射器，并且具有使得沿反向传播路径所反射的显示光125基本准直的形状。准直显示光具有虚拟地置换无穷远或者接近无穷远处的显示图像的效果，从而有助于人眼101将显示图像聚焦于近眼配置。当然，末端反射器225可以在不完全准直光的情况下减小发散度，从而可以将虚拟图像置换于小于无穷远处的地点(例如，0.5m至3m)。

在过程框325中，沿反向传播路径行进的显示光125由部分反射表面275反射，并且通过眼睛朝向侧271朝向眼睛101重定向到目镜200之外。在所说明的实施例中，由于部分反射表面275是50/50光束分离器，所以沿发射路径仅将显示光125的一部分反射出目镜200，同时另一部分通过部分反射表面275回到显示模块205。由于末端反射器225和输入透镜230的倾斜使所反射的显示光125离轴偏移，所以这一不希望的背反射部分不会导致用户可见的重影效应。另外，诸如LCD的非反射显示技术进一步减少了有害的重影。如以下结合图4A和4B所讨论的，部分反射表面275和眼睛朝向侧271中的间隙有助于重影的减少。

旋转或者倾斜末端反射器225和部分反射表面275两者，以执行目镜200内部的双轴光弯曲。值得注意的是，由于显示光125退出眼睛朝向侧271时出现的额外的折射弯曲，所以旋转角度φ和ω小于产生于目镜200之外的发射路径中的光弯曲。

图4A～C说明了根据本公开实施例的用于沿双倾斜的发射路径将显示光反射出目镜的部件400的各个图。部件400包括部分反射表面405和末端反射器410，并且是用于实现图2A中所说明的观看区域215和光中继部件210两个部件之一的一个示例。

可以将部分反射表面405作为诸如薄层银的非偏振光束分离器(例如，50/50光束分离器)、偏振光束分离器、或者其它多层薄膜结构加以实现。末端反射器410的所说明的实施例是涂有诸如金属(例如，银)的反射材料的凹表面。部分反射表面405被确定方向以角度φ相对于眼睛朝向侧471偏斜，并且控制水平平面中的发射路径的水平倾斜。特别是，部分反射表面405从45度偏移。例如，可以将部分反射表面405偏移2度，致使角度φ＝43度，从而导致显示光的发射路径6度的水平倾斜。当然，也可以实现φ的其它偏斜角度。

在一个实施例中，围绕轴415顺时针倾斜或者旋转末端反射器410角度ω(围绕Z-轴)。末端反射器410围绕轴415的旋转导致发射路径的垂直倾斜。如以上所讨论的，对于在垂直维度中向下偏斜角度δ＝6.7度的显示光125的发射路径，可以将末端反射器225倾斜角度ω＝2.1度。当然，对于ω，也可以实现其它倾斜角度。

在所说明的实施例中，部分反射表面405并未一路延伸至眼睛朝向侧471。相反，在所说明的实施例中，部分反射表面405未到达眼睛朝向侧471即停止，沿偏斜表面留下间隙420。代表不存在部分反射涂层的间隙420减少由于有害的背反射所导致的重影。在一个实施例中，间隙420沿偏斜表面的宽度大约为1mm，并且在Y维度中沿偏斜表面的整个高度延伸。

以上对本发明说明性实施例的描述，包括“摘要”中描述的内容，并不旨在穷举或者将本发明于限制于所公开的精确形式。尽管此处为了说明目的描述了本发明的具体实施例、以及示例，但本领域技术人员将认识到，在本发明的范围内，各种修改是可能的。

可以根据以上详细描述对本发明进行这些修改。不应将以下权利要求中所使用的术语解释为将本发明限于本说明书中所公开的具体实施例。相反，本发明的范围应完全由以下的权利要求确定，应该根据权利要求的解释所确立的原则解释以下的权利要求。

Claims (20)

1.一种目镜，包含：

目镜体，包括：

输入透镜，定位为沿前向传播路径将显示光耦合于目镜体中；

凹末端反射器，设置在从输入透镜看去目镜体的相反的一端，以沿反向传播路径将显示光反射回目镜体中；以及

观看区域，设置在输入透镜和凹末端反射器之间，并且包括部分反射表面，该部分反射表面沿发射路径将沿反向传播路径行进的显示光的至少一部分重定向到目镜体的眼睛朝向侧之外，

其中，该部分反射表面相对眼睛朝向侧偏斜成角，并且该凹末端反射器相对目镜体的顶或者底表面倾斜，以共同促使显示光的发射路径在两个正交维度中与眼睛朝向侧的第一法向量偏斜，

其中，该输入透镜倾斜，以使源自输入透镜中心点的第二法向量相对目镜体的顶或者底表面偏斜成角。

2.根据权利要求1所述的目镜，

其中，该部分反射表面按从45度的偏移相对眼睛朝向侧偏斜成角，以促使发射路径具有相对眼睛朝向侧的第一法向量、在水平维度中的第一偏斜角度，

其中，该凹末端反射器倾斜，以使源自凹末端反射器中心点的第三法向量相对目镜体的顶或者底表面偏斜成角，以促使发射路径具有相对眼睛朝向侧的第一法向量、在垂直维度中的第二偏斜角度，

其中，垂直维度和水平维度包含所述两个正交维度。

3.根据权利要求2所述的目镜，其中，该第一偏斜角度为6度±1度，部分反射表面的从45度的偏移为2度±1度，该第二偏斜角度为6.7度±1度，源自输入透镜中心点的第二法向量相对目镜体的顶或者底表面偏斜角度1.4度±1度，以及源自凹末端反射器中心点的第三法向量相对目镜体的顶或者底表面偏斜角度2.1度±1度。

4.根据权利要求1所述的目镜，其中，所述顶和底表面为平直和平面的。

5.根据权利要求4所述的目镜，其中，目镜体的眼睛朝向侧为平直和平面的，并且基本上正交于所述顶和底表面。

6.根据权利要求5所述的目镜，其中，该目镜体配置为耦合于头戴显示器，该头戴显示器将目镜体基本水平地保持在用户的眼睛之上，并且使输入透镜附近的目镜体的末端朝用户的太阳穴区域成角，以使用户向前直视，直到眼睛与显示光的发射路径对准。

7.根据权利要求1所述的目镜，还包含：

用于生成显示光的显示面板，

其中，源自输入透镜中心点的第二法向量在至少一个维度中与显示面板偏斜交叉。

8.根据权利要求1所述的目镜，其中，目镜体具有第一横截面大小，并且输入透镜具有小于第一横截面大小的第二横截面大小。

9.根据权利要求8所述的目镜，其中，使用不透明的材料涂敷第一横截面大小和第二横截面大小之间的阶梯界面。

10.根据权利要求1所述的目镜，还包含：

部分反射表面和目镜体的眼睛朝向侧之间的间隙，使得部分反射表面不延伸至目镜体的眼睛朝向侧。

11.一种用于向用户的眼睛提供显示光的可头佩显示器，所述可头佩显示器包含：

用于生成显示光的显示面板；

目镜体，包括：

输入透镜，定位为沿前向传播路径将显示光耦合于目镜体中；

凹末端反射器，设置在从输入透镜看去目镜体的相反的一端，以沿反向传播路径将显示光反射回目镜体中；以及

观看区域，设置在输入透镜和凹末端反射器之间，并且包括部分反射表面，该部分反射表面沿发射路径将沿反向传播路径行进的显示光的至少一部分重定向到目镜体的眼睛朝向侧之外；以及

框架组件，支撑目镜体和显示面板，用于佩戴在用户的头上，具有位于用户的眼睛之上的观看区域，

其中，该部分反射表面相对眼睛朝向侧偏斜成角，并且该凹末端反射器相对目镜体的顶或者底表面倾斜，以共同促使显示光的发射路径在两个正交维度中与眼睛朝向侧的第一法向量偏斜。

12.根据权利要求11所述的可头佩显示器，其中，该输入透镜倾斜，使得源自输入透镜中心点的第二法向量相对目镜体的顶或者底表面偏斜成角。

13.根据权利要求12所述的可头佩显示器，

其中，该部分反射表面按从45度的偏移相对眼睛朝向侧偏斜成角，以促使发射路径具有相对眼睛朝向侧的第一法向量、在水平维度中的第一偏斜角度，

其中，该凹末端反射器倾斜，以使源自凹末端反射器中心点的第三法向量相对目镜体的顶或者底表面偏斜成角，以促使发射路径具有相对眼睛朝向侧的第一法向量、在垂直维度中的第二偏斜角度，

其中，所述垂直维度和水平维度包含两个正交维度。

14.根据权利要求11所述的可头佩显示器，其中，所述顶和底表面为平直和平面的。

15.根据权利要求14所述的可头佩显示器，其中，目镜体的眼睛朝向侧为平直和平面的，并且基本上正交于所述顶和底表面。

16.根据权利要求15所述的可头佩显示器，其中，框架将目镜体基本水平地保持在用户的眼睛之上，并且使显示面板附近的目镜体的末端朝用户的太阳穴区域成角，使得用户向前直视，直到眼睛与显示光的发射路径对准。

17.根据权利要求12所述的可头佩显示器，源自输入透镜中心点的第二法向量在至少一个维度中与显示面板偏斜交叉。

18.根据权利要求11所述的可头佩显示器，其中，该目镜体具有第一横截面大小，该输入透镜具有小于第一横截面大小的第二横截面大小。

19.根据权利要求18所述的可头佩显示器，其中，使用不透明的材料涂敷第一横截面大小和第二横截面大小之间的阶梯界面。

20.根据权利要求11所述的可头佩显示器，还包含：

部分反射表面和目镜体的眼睛朝向侧之间的间隙，使得部分反射表面不延伸至目镜体的眼睛朝向侧。