CN108700742B - 具有旋转显示器的头戴式显示器 - Google Patents

Abstract

一种可穿戴式显示设备具有：支承件，其抵靠观看者的头部安装显示设备；球窝接头，其装配在支承件内，且耦合到从支承件延伸的夹具上；滑动件，其可在夹具内沿第一方向平移，且保持显示模块来用于形成显示图像；以及显示器，其耦合到显示模块上且可围绕沿正交于第一方向的第二方向延伸的竖直轴线沿第一弧形旋转，且还可围绕基本上正交于竖直轴线的水平轴线沿第二弧形旋转。

Description

具有旋转显示器的头戴式显示器

技术领域

本发明大体上涉及电子显示器，且更具体地涉及使用成像光导将承载图像的光传送至观看者的头戴式(近眼)显示器。

背景技术

包括单眼用和双眼用的近眼显示器的头戴式显示器(HMD)正被开发用于一系列的不同用途，包括军事、商业、工业、消防和娱乐应用。在对现实世界都是沉浸式的和透明的常规HMD中，形成必须相对于用户眼睛定位的虚拟图像。此外，需要能够定位虚拟图像，使得其不会妨碍用户的视野。

为了在观看者的预期位置处形成虚拟图像，光学设备必须满足各种几何和位置要求。这些要求通常影响设计和可用性因素，诸如观看者的位置，以及光学系统相对于观看者眼睛的放置。例如，由于观看者之间的解剖学变化，光学系统可能无法将虚拟图像精确定位在其对于特定观看者或目的最有用的位置。观看者可能希望虚拟图像内容在视野内可用，但可能不希望图像内容直接叠加到视野中的现实世界对象并且部分地模糊视野中的现实世界对象。或者，在部分遮挡的系统中，观看者可能想要将虚拟图像定位在视野的上部部分，使得手在较低部分中可见。许多先前的HMD光学设计的典型刚性约束可使HMD系统难以用于实际功能。

此外，图像的正确定位具有横向方面和角度方面两者，并且这些可相互关联，使得在一个方向上的调节影响其它调节。简单地将HMD较高地重新定位在观看者的头上可能不足以重新定位形成的图像，且可甚至引起来自HMD的出射光线完全错过观看者的瞳孔。类似地，在无任何侧向移动的情况下倾斜HMD可能使得不可能观看虚拟图像。

提供用于现有的HMD系统的机械调节可允许调节的度量，但是对于观看者而言在没有帮助的情况下进行调节通常是棘手和困难的。

因此，可认识到，在用于虚拟成像的光学构件的放置中提供一定程度的灵活性的方法和设备中将存在实际效用，从而允许调节虚拟图像自身的放置。允许关于三个正交线性维度以及三个角度维度的灵活放置以及在紧凑的形状因子内提供这种能力将是有利的。

发明内容

本公开内容的目的在于推进紧凑的头戴式(近眼)显示器内的图像呈现技术。此外，将有利的是提供一种设计，其允许观看者人工地调节虚拟图像的内容的相对位置，而不除去可穿戴显示器，且不干扰虚拟内容显示器的可见性。

根据对以下优选实施例和所附权利要求的详细描述的阅读，并通过参考附图，将更清楚地理解和认识本发明的这些和其它方面、目的、特征和优点。

根据本公开的一个方面，提供了一种可调节的成像设备，其包括抵靠观看者的头安装显示设备的支承件。球窝接头装配在支承件内，且耦合到从支承件延伸的夹具上。滑动件可在夹具内沿第一方向平移，且保持用于形成显示图像的显示模块。耦合到显示模块上且可围绕竖直轴线沿第一弧形旋转的显示器沿正交于第一方向的第二方向延伸，且还可围绕基本上正交于竖直轴线的水平轴线沿第二弧形旋转。

附图说明

尽管本说明书以特别指出并明确要求保护本发明的主题的权利要求作出结论，但相信根据以下描述并结合附图将更好地理解本发明。

图1A为示出可调节的成像设备的透视图，该设备允许观看者沿着所有3条正交轴线调节虚拟图像位置并围绕3条正交轴线旋转。

图1B为示出以可动构造支承成像显示器的可调节的成像设备的一部分的透视图。

图2A、2B和2C为示出可如何关于相互正交的X、Y和Z坐标轴针对成像显示器的各种位置调节成像设备的示意图。

图2D示出了通过从球窝接头旋转而对成像显示器的高度调节。

图3为示出根据实施例的显示器安装架的构件的透视图。

图4A为示出根据实施例的用于显示器的头部安装架的一部分的透视图。

图4B为示出夹具和球窝接头的横截面的特写透视图。

图5A和5B为根据后透视图示出夹具可如何耦合到显示器模块上的特写透视图。

图6A和6B为以使用眼镜框架的构造示出夹具的备选装置的特写透视图。

图7为将成像设备附接到头盔上的备选实施例的特写透视图。

图8为示出基于波导管的HMD的备选实施例。

具体实施方式

本描述具体涉及形成根据本发明的设备的一部分或较直接地与设备协作的元件。应当理解的是，未特别示出或描述的元件可采用本领域技术人员公知的各种形式。

在本文中使用它们的情况下，用语“第一”、“第二”等不一定表示任何序数、顺序或优先级关系，而是仅用于更清楚地将一个元件或一组元件与另一个区分开，除非另有规定。用语“顶部”和“底部”不一定表示空间位置，而是提供关于结构的相关信息，诸如以区分平面(平坦)波导管的相反表面。

在本公开的上下文中，用语“观看者”、“操作者”、“观察者”和“用户”被认为是等同的，并且指的是穿戴HMD观看装置的人。

如本文使用的，用语“可激励的”涉及在接收功率并可选地在接收启用信号时执行所指示的功能的装置或一组构件。

用语“可促动”具有其常规含义，涉及例如能够响应于刺激(诸如响应于电信号)而实现动作的装置或构件。

如本文所使用的，用语“集合”指非空集合，因为在初等数学中广泛理解集合的元素或项的汇集的概念。除非另有明确说明，否则用语“子集”在本文中用于指代非空真子集，即，具有一个或多个项的较大集合的子集。对于集合S，子集可包括完整集合S。然而，集合S的“真子集”严格包含在集合S中并且排除集合S中的至少一个项。

在本公开的上下文中，用语“倾斜”意味着呈不是90度的整数倍的角度。例如，如果两条线、线性结构或平面以至少约5度或更远离平行的角度或以至少大约5度或更远离正交的角度朝向彼此偏离或会聚，则它们被认为是相对于彼此倾斜。

在本公开的上下文中，用语“波长带”和“波长范围”是等同的并且具有由彩色成像领域的技术人员使用的其标准含义，并且指的是用于形成多色图像中的一种或多种颜色的一系列光波长。不同的波长带被引导通过不同的颜色通道，以便在常规的彩色成像应用中提供红、绿和蓝原色。

作为真实图像投影的备选，光学系统可产生虚拟图像显示。相比于形成真实图像的方法，虚拟图像不形成在显示器表面上。即，如果显示器表面定位在虚拟图像的感知位置，则没有图像将形成在该表面上。虚拟图像显示器对于增强现实显示具有许多固有的优点。例如，虚拟图像的外观尺寸不受显示器表面的大小或位置限制。此外，虚拟图像的源对象可能很小; 作为一个简单的实例，放大镜提供了其对象的虚拟图像。相比于投影真实图像的系统，通过形成看起来相距一定距离的虚拟图像可提供更逼真的观看体验。提供虚拟图像还消除了在投影真实图像时可能需要的补偿屏幕伪像的任何需要。

在本公开的上下文中，用语“耦合”旨在指示两个或更多个构件之间的物理关联、连接、关系或联结，使得一个构件的设置影响其耦合的构件的空间设置。对于机械耦合，两个构件不需要直接接触，而是可通过一个或多个中间构件联结。用于光学耦合的构件允许光能输入到光学设备或从光学设备输出。用语“扩束器”和“瞳孔扩展器”被认为是同义词，在本文中可互换使用。

图1A和1B的透视图示出了可调节的成像设备70，其允许观看者相对于所有三条平移轴线和所有三条旋转轴线调节显示图像的位置。图1B中示出了头部安装架72的一部分，其中各种特征用于抵靠观看者的头而装配头部安装架72，且允许调节图像显示器60相对于观看者眼睛的位置。显示器60设在显示模块62的端部处。由球窝接头86耦合到安装架72上的滑动件80允许显示模块62沿着延伸到观看者前方的轴线平移。投影仪40的光学元件和构件装配在显示模块62内。显示器安装架84然后提供围绕如指示的许多轴线的旋转。

图2A、2B、2C和2D为示出了可如何相对于相互正交的X、Y和Z坐标轴针对显示器60的各种位置调节成像设备70且示出了对应的轴向旋转的示意图。随后更详细示出的球窝接头86允许用于成像光导安装架84的可变定位的俯仰调节和高度调节及水平调节，以适合观看者的头部大小，其中平移运动沿X轴和Y轴。如前文指出，显示模块62沿相对于观看者的向前方向的Z轴平移由滑动件80提供。头部安装架72可使用常规方法(诸如，带装置)沿着观看者的头部定位，或可安装在头盔中，作为框架的部分，或作为其它头戴装置的部分。竖直铰链88允许围绕竖直轴Y的旋转，竖直轴Y基本上正交于由滑动件80限定的向前方向。水平铰链82允许围绕基本上正交于竖直轴Y的水平轴X的旋转。

对于显示器60围绕X轴的滚转调节，图2B示出了使用水平铰链82的旋转。围绕水平铰链82的旋转沿竖向方向转移虚拟图像的相对位置。如图2A中所示，在形成真实图像的情况下，水平铰链82允许真实图像沿滚转方向移动。

对于偏航调节，图2C示出了使用竖直铰链88围绕Y轴的旋转。因此，移动围绕基本上正交于围绕X轴的运动的轴线。围绕竖直铰链88的旋转使虚拟图像的相对位置沿水平方向转移。

图2D示出了通过从球窝接头86旋转的显示器安装架84的高度调节。

应注意，关于图2A-2D所述的调节以及相关调节改变显示器60上形成的真实图像的相对位置或备选地改变出现在观看者眼眶中的虚拟图像的相对位置。

图3为示出根据实施例的显示器安装架84的构件的特写透视图。

图4A为示出根据实施例的用于成像设备70的头部安装架72的一部分的透视图。夹具74被提供为引导件用以保持显示模块62(为了夹具74更好地可见而未在图4A中示出)。夹具74由球窝接头86耦合到头部安装架72上。夹具74允许显示模块62可与头部安装架72装置分离。

图4B为示出夹具74和球窝接头86的横截面的特写透视图。

图5A和5B从后透视图示出夹具74可如何耦合到显示模块62上。

图6A和6B为以使用眼镜框架76的构造示出夹具74的备选装置的特写透视图。

图7为其中支架78将成像设备70附接到头盔上的备选实施例的特写透视图。

图8为示出成像设备70的备选实施例，设备70使用光学波导管22用以形成来自投影仪40虚拟图像。波导管相对于光学元件铰接，从而提供虚拟图像的左右调节。允许竖直移动的铰链定位成更接近球窝接头，以允许输入投影仪的移动。

具体参照当前优选的实施例详细描述了本发明，但将理解的是，可在本发明的精神和范围内实施变型和修改。当前公开的实施例因此在所有方面都被认作是示范性而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求指出，且归入其等同物的意义和范围内的所有变化意在包含在其中。

Claims (5)

1.一种可调节的成像设备，包括：

支承件，其抵靠观看者的头部可操作地安装显示模块；

球窝接头，其装配在所述支承件内；

夹具，其与所述球窝接头耦合，其中所述夹具经由所述球窝接头从所述支承件延伸；

滑动件，其与所述显示模块耦合，其中所述滑动件可在所述夹具内沿第一方向平移；以及

显示器，其耦合到所述显示模块上，其中所述显示器可围绕沿正交于所述第一方向的第二方向延伸的竖直轴线沿第一弧形旋转，且其中所述显示器可围绕基本上正交于所述竖直轴线的水平轴线沿第二弧形旋转；

其中第一铰链可操作成允许所述显示器沿所述第一弧形旋转，且第二铰链可操作成允许所述显示器沿所述第二弧形旋转；以及

其中所述第一铰链沿所述第一方向定位在所述球窝接头与所述显示器之间。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述显示模块可与所述夹具分离。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二铰链定位在所述球窝接头与所述显示器之间且沿所述水平轴线定位。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述支承件耦合到头带上。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述支承件耦合到眼镜框架上。

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