CN107430281B - 带有双曲面显示器的头戴式显示器装置 - Google Patents

Abstract

一种头戴式显示器(HMD)装置(100)，包括绕中平面(202)置放的第一和第二横向曲面显示器(104、105)，其中第一和第二曲面显示器每一个包括远离中平面并且具有带有第一半径的曲率的第一横向区段(210)，和邻近于中平面并且具有带有第二半径的曲率的第二横向区段(208)，第二半径小于第一半径。

Description

带有双曲面显示器的头戴式显示器装置

技术领域

本公开一般地涉及一种显示器装置，并且更加具体地，涉及一种头戴式显示器装置。

背景技术

沉浸式虚拟现实(VR)和增强现实(AR)系统典型地利用头戴式显示器(HMD)装置，其向用户呈现立体图像从而赋予在三维(3D)情景中的存在感。传统的HMD装置实现或者被分离成一个用于用户的左眼并且一个用于右眼的两个独立的显示区域的单一平板显示器，或者一对独立的平板显示器，用户的每一只眼睛各使用一个。传统的HMD进一步包括用于每一只眼睛的圆形透镜从而将显示器的整个图像聚焦到用户的眼睛中。然而，使用平板显示器和圆形透镜经常导致庞大的HMD形状因子，这继而当在使用中时赋予高的惯性矩。而且，平板显示器和圆形透镜经常将横向视场约束成110度或者更小。这些传统HMD的庞大尺寸和有限视场能够有害地在所显示的图像中影响用户的存在感并且因此抑制正在所呈现的情景中沉浸的感觉。

附图说明

通过参考附图，本公开可以被更好地理解，并且使得它的多个特征和优点对于本领域技术人员显而易见。在不同的绘图中使用相同的参考符号示意类似的或者相同的项目。

图1是示意根据某些实施例利用双曲面显示器的头戴式显示器(HMD)装置的后透视图的图。

图2是示意根据某些实施例的图1的HMD装置的截面视图的图。

图3是示意根据某些实施例的图1的HMD装置的有凹(foveated)显示器的图。

具体实施方式

图1-3示意HMD装置的实例，其利用曲面显示器和曲面光学透镜以使得与利用平板显示器的传统HMD相比较能够实现更小的形状因子和更宽的横向视场。在至少一个实施例中，该HMD装置包括一对横向曲面显示器，用户的每一只眼睛各使用一个。每一个显示器可以独立地由各自的显示器控制器驱动，并且显示器可以被一起地操作以呈现AR或者VR情景的立体或者3D视图。该HMD进一步包括一对横向曲面透镜，每一个横向曲面透镜从该一对横向曲面显示器中的相应的一个的端面偏移从而将所显示的图像聚集到相应的眼睛上。横向曲面显示器和横向曲面透镜的组合允许以更加紧密地贴合用户的头部的形状因子实现HMD，并且因此具有更低的惯性矩，同时还提供诸如达180-210度的、更宽的横向视场。

在某些实施例中，该一对显示器中的每一个显示器可以具有非恒定的横向曲率从而显示器的中间区段(即，最靠近用户的鼻部的区段)具有比显示器的更远区段更加明显的曲率(即，更小的半径)。这还允许每一个显示器具有沿着向内侧方向增加的视场，以及在用户的眼睛之间的内侧视场中提供增强的立体分辨率。而且，设计目标可以是采用透镜从而它们具有与用户的眼睛同心的恒定曲率。然而，由于考虑使用的透镜技术的结构限制或者由于在HMD装置中的空间/尺度约束，这可能是无法实现的。在任一情形中，透镜的非恒定横向曲率均产生了其中透镜的不同部段将会具有不同的焦距的情况，并且因此当通过这种透镜观察时显示将会失真。相应地，为了补偿由于透镜的变化的横向曲率引起的、透镜的变化的本征焦距，在至少一个实施例中，HMD利用带有横向改变折射率的横向曲面透镜从而使得透镜的光焦度适合于透镜横向曲率的相应变化。

图1示意根据本公开的至少一个实施例的曲面显示器HMD装置100的实现的后透视图。在所描绘的实例中，HMD装置100具有“眼镜”形状因子，其中HMD装置100经由当由用户佩戴时位于用户的耳朵后面的眼镜腿102、103被安装到用户的脸部。然而，在其它实施例中，HMD装置100可以利用“口罩”形状因子实现，其中HMD装置100经由一根或者多根带子或者其它联结装置被安装到用户的脸部。此外，虽然为了便于示意而被省略，但是为了限制环境光线侵入的意图，HMD装置100还可以包括一个或者多个脸部衬垫用于相对于用户的脸部密封。

HMD装置100包括安装在框架106中的一对曲面显示器104、105。HMD装置100进一步包括安装在框架106的内侧区域(例如，框架106的桥接部)处的透镜副框架108，在透镜副框架108上安装一对曲面透镜110、111。透镜副框架108包括桥接结构112，桥接结构112包括相隔结构，该相隔结构从框架106的后表面延伸，并且因此使得透镜110从显示器104的端面偏移并且使得透镜111从显示器105的端面偏移。例如，相隔结构可以实现从框架106的桥接部延伸的竖直结构(如在图1中所示)、从框架的水平顶杆延伸的水平结构等。

如在图1中所示，曲面显示器104、105每一个都具有绕用户的相应的眼睛的预期位置定向的横向曲率。这个横向曲率可以是旨在绕相应的眼睛同心的恒定曲率(沿着横向方向具有恒定半径)，或者该横向曲率可以越过显示器的横向范围地改变(即，沿着横向方向具有变化的半径)。例如，如在以下参考图2更加详细描述地，在邻近于框架106的桥接部或者内侧部的区域中，显示器104、105每一个的曲率可以是更加明显的。曲面显示器104、105可以使用能够提供曲面显示器构造的各种显示器技术中的任何一项实现，诸如基于薄膜柔性有机发光二极管(OLED)的显示器，其被挠曲至期望的曲率并且经由支撑框架被维持为这个曲率。

透镜110、111每一个都被实现为凸形光学装置，其类似显示器104、105地具有绕用户的相应眼睛的预期位置定向的横向曲率，并且该横向曲率可以是恒定的或者可以越过透镜的横向范围地改变。如在图1中所示意地，透镜110、111可以被实现为横向曲面矩形透镜。然而，在其它实施例中，透镜110、111可以被实现为横向曲面圆形或者椭圆形透镜、不规则形透镜等。透镜110、111的截面轮廓可以包括各种凸形(或者正)透镜轮廓中的任何一种，诸如双凸形、平凸形、正弯月形等。此外，在某些实施例中，透镜110、111可以被实现为菲涅耳(Fresnel)透镜。透镜110、111可以由适合于制造横向曲面透镜的各种材料或者材料组合中的任何一种诸如塑料、玻璃、晶体等构成。

虽然为了简洁的意图未在图1中示出，但是HMD装置100还可以包括各种成像和非成像传感器以支持HMD装置100的VR或者AR功能。例如，HMD装置100可以包括具有一个或者多个陀螺仪、磁强计和加速度计以支持HMD装置100的姿态检测的惯性管理单元(IMU)、支持AR功能或者支持视觉遥测功能的、用于捕捉图像的一个或者多个成像传感器、用于支持视觉遥测功能的红外深度传感器，等等。此外，HMD装置100可以包括一个或者多个有线或者无线接口(未示出)以允许HMD装置100经由有线或者无线连接被连接到外部计算系统，用于传输和接收信息，诸如向计算系统传输姿态信息并且接收基于该姿态信息的、用于显示的立体VR图像的意图。在美国专利申请系列No.62/156,815(在2015年5月4日提交)中更加详细地描述了用于HMD的这些传感器构造的实例，其整体在这里通过引用并入。

图2示意根据本公开的至少一个实施例的HMD装置100沿着图1的剖面线A-A的截面视图。如所示那样，当佩戴HMD装置100时，HMD装置100绕对应于用户的中矢面的中平面202是基本对称的。显示器104、105经由桥接结构112被连接到框架106从而显示器104的右侧边缘204邻近于中平面202的左侧并且显示器105的左侧边缘206邻近于中平面202的右侧。

在某些实施例中，如在图2中所示，显示器104、105这两者均具有随着显示器接近中平面202而更加明显的横向曲率。显示器104、105每一个都可以形成有由带有不同半径的多个横向区段构成的横向曲率。例如，显示器104可以具有具有半径r1的内侧横向区段208、具有半径r2的中间横向区段209，和具有半径r3的远侧横向区段210，在此处r3>r2>r1，并且显示器105可以具有相应的镜像构造。在这种构造中，在内侧区域中显示器104、105的另外的扫描提供了沿着向内方向改进的横向视场，并且特别地这个明显的向内曲率能够在其中HMD装置100的左侧和右侧的视场交迭的区域212中提供增强的立体或者3D视觉。

桥接结构112使得透镜110、111从显示器104、105的端面偏移，并且透镜副框架108被构造成分别地以用户的左眼214和右眼215的预期位置定向透镜110、111。在操作中，透镜110将显示器104的整个显示器端面聚焦到左眼214中并且透镜111将显示器104的整个显示器端面聚焦到右眼215中。为了适合于不同的用户生理，框架106可以实现各种机构(未示出)用于调节瞳孔间距(IPD)或者用于屈光度调节。

在某些实施例中，透镜110、111具有与相应的眼睛同心的恒定横向曲率。然而，在很多实现中，诸如由于关于透镜110、111的尺寸的约束、关于透镜材料可以被置于其中的可能的恒定半径的约束等，对于透镜110、111而言，恒定的横向曲率可能是不实际的。相应地，在某些实施例中，透镜110、111可以具有非恒定横向曲率。作为示意，如在图2中所示，透镜110、111可以具有随着透镜接近中平面202而增加的横向曲率。例如，透镜110可以具有三个横向区段218、219和220，其中内侧横向区段218具有半径r4，中间横向区段219具有半径r5，并且远侧横向区段220具有半径r6，并且r6>r5>r4，并且透镜111可以具有相应的镜像构造。在这种情形中，在无任何补偿因子的情况下，不同的横向区段将会呈现不同的焦距。作为示意，越过透镜110的横向扫描范围地为透镜110采取恒定材料或者恒定密度，横向区段218、219和220将会分别地具有不同的焦点222、223和224，并且因此妨碍了由显示器104为左眼214显示的图像的正确聚焦。

相应地，为了在这种情形中补偿透镜110、111的非恒定横向曲率，在至少一个实施例中，透镜110、111可以被构造为具有横向改变折射率以补偿透镜的横向改变曲率。作为示意，假设透镜111具有上述透镜110的非恒定横向曲率的镜像形式，透镜111可以被构造为具有如由图表228表示的改变的折射率从而透镜111的每一个横向区段被聚焦在同一点230上，由此确保透镜111以最小的或者无任何失真地将显示器105显示的图像正确地聚焦到右眼215中。注意由图表228呈现的折射率轮廓是示例性的，仅仅为了示意透镜111的折射率的改变的意图，而不是必要地反映为了为具有在图2中描绘的横向曲率的透镜提供一致的焦距而必需的实际折射率轮廓。

透镜110、111可以具有横向改变折射率，其以连续的形式、离散(或者逐步)的形式，或其组合实现。作为示意，透镜110、111可以被实现为弯曲平面梯度折射率(GRIN)透镜。可以利用各种技术中的任何一项来以不同的折射率构造透镜110、111的不同的区域。典型地，这种技术通过改变透镜部分的密度而调节透镜的被处理部分的折射率。作为示意，透镜110、111可以使用硼掺杂玻璃衬底实现，该衬底然后被中子轰击以诱发硼浓度的变化，使得玻璃衬底的不同的横向区段接收不同的中子轰击浓度。作为另一个实例，可以使用化学气相沉积(CVD)或者另一种工艺形成一种透镜，其带有多个带有不同折射率的玻璃或者其它材料的层，并且这些层的厚度或者比率可以在横向部段之间改变从而为每一个横向部段实现不同的总折射率。

图3示意根据至少一个实施例的用于显示器104、105的有凹显示器的示例性实现。如上所指出地，HMD装置100的显示器104、105被用于提供被投影情景的立体视图从而赋予用户在该情景中的存在感。用于确保充分的存在感的一个因素是提供足够的显示分辨率和帧频从而所显示的图像更加易于模仿现实的情景。然而，考虑到两个显示器被独立地驱动，HMD装置100另外地在高分辨率/高帧频下可以是有限带宽的。

人眼具有有凹特性，其中视网膜的中央区域或者有凹的中央结构能够以比视网膜的周围区域高得多的分辨率解释图像。相应地，HMD装置100能够通过为显示器104、105每一个显示器实现有凹显示器300而利用这个有凹特性。有凹显示器300通过在显示器的、处于眼睛视场中心的部分中采用更高的像素密度，并且在周边视场区域中采用更低的像素密度而利用眼睛的有凹特性。作为示意，在图3中，有凹显示器300可以被实现为被分段成四个区域301、302、303和304的横向曲面显示器。如在放大视图321中利用更小、更加密集地填充的像素311示意地，处于用户的眼睛的视场中心的中央区域301被以高像素密度实现。如在放大视图322中利用更大、较不那么密集地填充的像素312示意地，邻近于视场中心的相邻区域302被以中间像素密度实现。如在放大视图323中利用大像素313示意地，处于视场周边的周边区域303、304被以低像素密度实现。在其它实施例中，像素密度可以从显示器的内侧边缘到远侧边缘横向地改变或者从中心视场到周边区段横向地改变等，而不是从用户的中心视场沿着径向改变。

通过使用有凹显示器300，如具有均匀分辨率的显示器将会呈现的那样，可以向用户呈现相同的有效分辨率，但是在总体上更少像素的情况下，与具有均匀分辨率的显示器相比较，驱动有凹显示器300所要求的数据带宽可以减小，并且因此允许在更高帧频下或者使用带有减小的流量的显示路径驱动有凹显示器300。

注意并非要求以上在一般性说明中描述的所有的活动或者元件，可以不要求具体活动或者装置的一个部分，并且可以执行一个或者多个进一步的活动，或者包括除了所描述的那些之外的元件。进而，列出活动的次序并不是必要地是执行它们的次序。而且，已经参考具体实施例描述了概念。然而，本领域普通技术人员理解，能够在不偏离如在以下权利要求中阐述的本公开的范围的情况下作出各种修改和改变。相应地，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的，并且所有这些修改旨在被包括在本公开的范围内。

以上已经关于具体实施例描述了益处、其他优点和问题的解决方案。然而，可能导致任何益处、优点或者解决方案发生或变得更加明显的益处、优点、问题解决方案以及任何特征(一个或多个)都不应被解释为是任何一项或者所有权利要求的关键性的、要求的或者本质特征。而且，以上公开的具体实施例仅是示意性的，因为受益于这里的教示，可以以对于本领域技术人员而言显而易见的、不同的但是等价的方式修改并且实践所公开的主题。除了如以下权利要求书中描述的之外，对本文所示的构造或者设计的细节没有任何限制。因此，明显的是，以上公开的具体实施例可以被改变或修改，并且所有这些变化被认为是在所公开的主题的范围内的。相应地，本文寻求的保护如以下权利要求所述。

Claims (17)

1.一种头戴式显示器(HMD)装置，包括：

绕中平面置放的第一横向曲面显示器和第二横向曲面显示器，其中所述第一横向曲面显示器和第二横向曲面显示器中的每一个曲面显示器包括：第一横向区段，所述第一横向区段远离所述中平面并且具有带有第一半径的曲率，和第二横向区段，所述第二横向区段邻近于所述中平面并且具有带有第二半径的曲率，所述第二半径小于所述第一半径，以及其中，所述第一横向曲面显示器和第二横向曲面显示器包括有凹显示器。

2.根据权利要求1所述的HMD装置，进一步包括：

绕所述中平面置放的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜从所述第一横向曲面显示器的显示器端面偏移，并且所述第二透镜从所述第二横向曲面显示器的显示器端面偏移。

3.根据权利要求2所述的HMD装置，其中：

所述第一透镜包括带有绕用户的左眼的预期位置同心的横向曲率的透镜；并且

所述第二透镜包括带有绕用户的右眼的预期位置同心的横向曲率的透镜。

4.根据权利要求2所述的HMD装置，其中：

所述第一透镜包括带有横向改变曲率的透镜；并且

所述第二透镜包括带有横向改变曲率的透镜。

5.根据权利要求1所述的HMD装置，其中：

所述第一横向曲面显示器和所述第二横向曲面显示器操作以呈现立体虚拟现实图像。

6.根据权利要求1所述的HMD装置，其中：

所述第一横向曲面显示器和所述第二横向曲面显示器操作以呈现立体增强现实图像。

7.一种头戴式显示器(HMD)装置，包括：

绕中平面置放的第一横向曲面显示器和第二横向曲面显示器，其中所述第一横向曲面显示器和第二横向曲面显示器中的每一个曲面显示器包括：第一横向区段，所述第一横向区段远离所述中平面并且具有带有第一半径的曲率，和第二横向区段，所述第二横向区段邻近于所述中平面并且具有带有第二半径的曲率，所述第二半径小于所述第一半径；

绕所述中平面置放的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜从所述第一曲面显示器的显示器端面偏移，并且所述第二透镜从所述第二曲面显示器的显示器端面偏移；

其中所述第一透镜包括带有绕用户的左眼的预期位置同心的横向改变曲率的透镜并且具有基于所述第一透镜的横向改变曲率的横向改变折射率；并且

其中所述第二透镜包括带有横向改变曲率的透镜并且具有基于所述第二透镜的横向改变曲率的横向改变折射率。

8.一种头戴式显示器(HMD)装置，包括：

第一显示器，用于向用户的左眼显示图像；

第二显示器，用于向用户的右眼显示图像；

桥接结构，所述桥接结构置放在所述第一显示器的右侧边缘和所述第二显示器的左侧边缘之间；

从所述第一显示器的显示器端面偏移的第一横向曲面透镜；

从所述第二显示器的显示器端面偏移的第二横向曲面透镜；

其中所述第一显示器具有朝向所述右侧边缘半径减小的横向曲率；

其中所述第二显示器具有朝向所述左侧边缘半径减小的横向曲率；

其中所述第一透镜具有横向改变曲率和横向改变折射率；并且

其中所述第二透镜具有横向改变曲率和横向改变折射率。

9.一种头戴式显示器(HMD)装置，包括：

第一显示器，用于向用户的左眼显示图像；

第二显示器，用于向用户的右眼显示图像；

桥接结构，所述桥接结构置放在所述第一显示器的右侧边缘和所述第二显示器的左侧边缘之间；

其中所述第一显示器具有朝向所述右侧边缘半径减小的横向曲率；

其中所述第二显示器具有朝向所述左侧边缘半径减小的横向曲率；以及

其中所述第一显示器和所述第二显示器包括有凹显示器。

10.根据权利要求9所述的HMD装置，其中：

所述第一显示器和所述第二显示器操作以呈现立体图像。

11.一种头戴式显示器(HMD)装置，包括：

绕中平面置放的第一横向曲面显示器和第二横向曲面显示器；和绕所述中平面置放的第一横向曲面透镜和第二横向曲面透镜，所述第一横向曲面透镜从所述第一横向曲面显示器的显示器端面偏移并且具有横向改变折射率，并且所述第二横向曲面透镜从所述第二横向曲面显示器的显示器端面偏移并且具有横向改变折射率。

12.根据权利要求11所述的HMD装置，其中：

所述第一横向曲面透镜具有横向改变曲率；并且

所述第二横向曲面透镜具有横向改变曲率。

13.根据权利要求11所述的HMD装置，其中：

所述第一横向曲面透镜和第二横向曲面透镜具有连续地改变的折射率。

14.根据权利要求11所述的HMD装置，其中：

所述第一横向曲面透镜和第二横向曲面透镜具有离散地改变的折射率。

15.根据权利要求11所述的HMD装置，其中：

所述第一横向曲面显示器和第二横向曲面显示器包括有凹显示器。

16.根据权利要求11所述的HMD装置，其中：

所述第一横向曲面显示器和所述第二横向曲面显示器操作以呈现立体虚拟现实图像。

17.根据权利要求11所述的HMD装置，其中：

所述第一横向曲面显示器和所述第二横向曲面显示器操作以呈现立体增强现实图像。