CN110088666B

CN110088666B - 头戴式显示器及其光学系统

Info

Publication number: CN110088666B
Application number: CN201780078499.XA
Authority: CN
Inventors: 谭家豪; 大卫·詹姆斯·蒙哥马利
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: GB2557942A; CN110088666A; WO2018116946A1; US20200081254A1; GB201621621D0

Abstract

一种光学系统，使高图像质量的头戴式显示器更紧凑和/或重量更轻。光学系统包括每个眼睛对应的至少两个或更多个图像面板，每个图像面板对应的两个或更多个反射表面，以及折射目镜元件。来自每个图像面板的光在到达眼睛之前被一组不同的光学表面反射，每只眼睛形成至少两个重叠的虚像。本发明可以允许该装置具有紧凑的形状，其重量分布接近用户的面部而不损害图像质量和分辨率。

Description

头戴式显示器及其光学系统

技术领域

本发明可应用于可穿戴显示器领域，它用于在头戴式显示器中实现紧凑和轻量的设计。

背景技术

头戴式显示器(HMD)是一种在消费电子行业越来越受欢迎的设备。HMD以及类似的设备，如头盔显示器、智能眼镜和虚拟现实耳机，允许用户佩戴显示设备，从而使得硬件可以固定在用户的头上而不受用户移动的影响。

当与摄像机、加速度计、陀螺仪、圆规和测光仪等环境传感器结合时，HMD可以为用户提供虚拟现实和增强真实。虚拟现实即允许用户完全沉浸在一个虚拟世界中，在这个虚拟世界中，用户看到的一切都来自于显示设备。另一方面增强真实的设备允许用户以光学方式看到环境，显示设备生成的图像将添加到场景中，并可能与环境混合。

HMD的主要元件之一是安装在头部的显示模块。然而，由于人眼无法容纳(即改变其光功率以提供聚焦图像)距离眼睛较近的图像，因此需要用目镜对显示模块重新成像，使显示图像位于用户舒适的可视距离处。这种光学配置要求目镜和显示模块之间有很大的空间。此外，如果HMD需要显示高质量和宽视野(FOV)的图像，则需要复合透镜，而这些镜片经常使这个设备非常笨重。

多种方法以减轻HMD的透镜重量被提出。光场显示器使用一个具有微透镜阵列的、高分辨率的图像面板将图像的子集整合到视网膜的不同部分。这种方法导致图像的有效分辨率较低。视网膜扫描显示器能够产生分辨率相当于激光扫描仪固有分辨率的图像。然而，通过眼睛瞳孔对准扫描镜的严格要求意味着很难制造出适合不同人体测量变化的HMD。

US8508851B2(Miao等，2013年8月13日公告)提出了一种透视显示系统，这种透视显示系统使用分束器反射来自显示面板的光。尽管这个系统采用凹面镜实现了紧凑性，但是这种系统的视野(FOV)有限，因为曲面反射表面只能在极小的视野上提供低像差。另外，凹面镜的设计仅适合于小显示板，这限制了显示系统的总分辨率。

US20140168783A1(Luebke等人，2014年6月19日公开)提出一种光学系统的使用，该光学系统使用位于观察者的近眼范围内的多个微透镜来模拟对观察者聚焦的物体。这种方法不可避免地降低了显示器的厚度分辨率。此外，因为面板的像素通过单个弯曲光学表面得到高放大率，所以该像素的图像将受到有严重的影响，导致非常差的图像质量。

US20020181115A1(Massof等人，2002年12月5日公开)提出了一种头戴式显示器，其包括多个透镜和与和与球体相切的多个显示器。这种设计将导致头戴式显示器由于存在大量部件而沉重且昂贵。

US9244277B2(Cheng等人，2016年1月26日公布)和WO2016118643A1(Benitez等人，2016年7月28日公开)提出了头戴式显示器，其包括多个平铺显示通道，每个通道由一个具有自由形状表面的棱镜和一个微显示器制成。然而，这种系统可能很重，因为棱镜的固体体积需要足够厚以适应微显示器。此外，可以安装在驱动电子设备上的微显示模块位于远离用户脸部的相当远的距离处。这会使整个系统的质心向前移动超出使用者的鼻子，导致向下倾斜的力矩，从而导致需要与不舒服的头带平衡。

WO2016118647A1(Benitez等人，2016年7月28日公开)提出了一种显示装置，其包括一个或多个小透镜，该透镜具有放大的圆柱形的显示表面。为了获得眼睛可以聚焦的虚拟图像，显示表面需位于距用户脸部至少几厘米的位置。另一方面，US6008778A(Takahashi等人，1999年12月28日公开)提出了一种显示装置，每只眼睛具有两个显示单元，其中部分透射和部分反射的表面被设置成面向观察者的眼球，而面板进一步远离用户的脸。同样，这两种设计都将导致系统的质心远离用户，从而不适用。

在EP 2253989(Canon KK)，JP-H07-79393(Olympus Co)，EP 2565700(Canon KK)，US 2010/290125(Canon KK)和JP-2012-247480(Canon KK)中提出了显示装置的其它示例。

发明内容

本发明的一方面提供一种光学系统，包括：用于显示第一图像的第一显示面板；用于显示第二图像的第二显示面板；第一目镜元件和第二目镜元件，所述第一目镜元件具有第一光轴，所述第二目镜元件具有第二光轴，所述第一光轴平行于所述第二光轴延伸但偏离所述第二光轴；第一反射元件，用于将来自所述第一显示面板的光通过所述第一目镜元件沿着第一光路导引到所述光学系统的观察区，以形成所述第一图像的第一虚像；第二反射元件，用于将来自所述第二显示面板的光通过所述第二目镜元件沿着第二光路导引至所述光学系统的所述观察区，以形成所述第二图像的第二虚像；所述第一光路不同于所述第二光路，且所述第一虚像和所述第二虚像彼此重叠。

光学系统可以是可佩戴的光学系统，其布置成当用户佩戴光学系统时，用户的眼睛处于光学系统的观察区中，使得用户可以感知从第一和第二图像衍生的图像，该第一和第二图像显示于第一和第二显示面板上。与US6008778相比，反射元件的使用允许显示面板在物理上更靠近用户的脸部。这使得设备的大部分重量保持更靠近用户的脸部，使得光学系统更紧凑并且提供更舒适的重量分布。同时，目镜元件(其具有至少一个具有正光学功率的表面)确保尽管光学系统的尺寸紧凑，但是虚拟图像位于用户的眼睛可以舒适地聚焦的距离处。

所述第一显示面板位于所述第一反射元件的与所述观察区相同的一侧，所述第一目镜元件位于所述第一反射元件的与所述观察区相同的一侧。同样地，这使得光学系统的重量保持更靠近用户的脸部。

另外或可选地，所述第二显示面板位于所述第二反射元件的与所述观察区相同的一侧，所述第二目镜元件位于所述第二反射元件的与所述观察区相同的一侧。同样地，这使得光学系统的重量保持更靠近用户的脸部。

所述第一显示面板与所述第二显示面板横向间隔开，并且可选地，所述第一显示面板与所述第二显示面板一般位于同一平面。进一步可选地，所述第一目镜元件和所述第二目镜元件一般位于与所述第一显示面板和所述第二显示面板相同的同一平面。

进一步可选地，所述第一目镜元件和所述第二目镜元件设置在所述第一显示面板和所述第二显示面板之间。这使得该光学系统在物理上紧凑，并且再次使得光学系统的重量保持更靠近用户的面部，从而使得光学系统在实现为可穿戴光学系统时对于使用者来说更舒适。

在任何方面或实施例中，第一目镜元件和第二目镜元件可以是单独的部件。或者，第一目镜元件和第二目镜元件可以形成为单个部件。

类似地，在任何方面或实施例中，第一反射元件和第二反射元件可以是单独的部件。或者，第一反射元件和第二反射元件可以形成为单个部件。作为另一替代方案，第一反射元件可以由两个或更多个部件形成，和/或第二反射元件可以由两个或更多个部件形成。

应当理解，指定光学系统包括第一和第二显示面板并不意味着光学系统仅限于两个显面示板。在其它实施例中，光学系统可以具有三个或甚至更多个显示面板。类似地，指定光学系统包括第一和第二目镜元件并不意味着光学系统仅限于两个目镜元件，并且光学系统可包括两个以上的目镜元件。优选地，目镜元件的数量等于或大于显示面板的数量，使得从每个显示面板到观察区的光路穿过相应的不同目镜元件。

在实施例中，本发明的光学系统可以具有以下任选特征中的任何一个(即，可以具有一个，多于一个或全部)。应当注意，为了避免重复，这些特征中的一些仅参考第一显示面板，第一目镜元件和/或第一反射元件来定义。然而，参考第一显示面板，第一目镜元件和/或第一反射元件限定的任何特征可以替代地或附加地应用于第二显示面板，第二目镜元件和/或第二反射元件。

所述第一显示面板位于所述第一反射元件的与所述观察区相同的一侧。

所述第一目镜元件位于所述第一反射元件的与所述观察区相同的一侧。

对于由第一显示面板的至少一部分发射的光，第一光路可以包括第一反射元件的多次反射。

所述第一显示面板具有在其区域上变化的亮度分布。

所述第一显示面板靠近所述第一目镜元件的区域的亮度分布比所述第一显示面板远离所述第一目镜元件的区域的亮度分布窄。

所述第一显示面板可包括一个设置在来自定向背光的光路中的图像显示面板。另外或可选地，所述第一显示面板可能包括设置在来自图像显示面板的光路中的导光装置。

所述第一目镜元件可包括至少一个菲涅耳透镜。

所述第一目镜元件可包括一个第一区段和两个第二区段，所述第一目镜元件和所述第一反射元件布置成：对于由所述第一显示面板的至少一部分发射的光，所述第一光路依次包括所述第一反射元件的第一次反射，所述第一目镜元件的所述第一区段的折射，所述第一反射元件的第二次反射，以及所述第一目镜元件的所述第二区段的折射。

所述第一目镜元件的第二区段可以自所述第一区段在与所述第一区段交叉的方向上延伸。它可以例如基本上垂直于第一段延伸。

所述第一目镜元件的所述第一区段可包括一个第一菲涅耳透镜和/或所述第一目镜元件的所述第二区段可包括一个第二菲涅耳透镜。

所述第一反射元件可包括光导，所述光导的安装使得：对于所述第一显示面板的第一部分发射的光，所述第一光路不经过所述光导；对于所述第一显示面板的第二部分发射的光，所述第一光路经过所述光导。

所述第一显示面板的第二部分比所述第一显示面板的第一部分更邻近所述观察区。

所述光学系统可包括阻挡装置，所述阻挡装置用于阻挡由所述第一显示面板的第一部分发射的光进入所述光导。光学阻挡器可以例如包括偏振元件。在一个实施方式中，来自第一显示面板的第一部分的光可以具有被偏振元件阻挡或基本上阻挡式偏振，并且来自第一显示面板的第二部分的光可以被偏振元件透射或基本上透射式偏振。

所述光学系统可包括一个附加反射元件，所述附加反射元件的安装使得所述第一光路进一步包括所述附加反射元件的反射。

所述第一显示面板可布置成发射第一偏振光，所述第二显示板布置成发射与所述第一偏振光正交或基本正交的第二偏振光；所述第一反射元件设置成基本反射所述第一偏振光并基本透射所述第二偏振光，并且所述第二反射元件设置成基本反射所述第二偏振光并基本透射所述第一偏振光。

所述光学系统可包括设于所述第一光路中的透镜阵列。

所述光学系统可包括凝视跟踪器，所述凝视跟踪器用以在所述光学系统中监测用户眼睛的位置和/或方向。

所述光学系统可适于基于所述凝视跟踪器的输出控制所述第一图像显示面板和/或所述第二图像显示面板。

所述第一图像显示面板和/或所述第二图像显示面板是非平面板。可选地，所述第一图像显示面板和所述第二图像显示面板是平面图像显示面板。

本发明的第二方面提供一种包括上述光学系统的头戴式显示器。

本发明涉及一种可穿戴显示器的设计，该设计使得该装置相对于已知配置具有减轻的重量和增加的紧凑性，而不会损害其它技术性能。该设计特别适用于头戴式显示器或具有虚拟现实(VR)和增强现实(AR)应用的智能眼镜。

本设计的原理涉及通过将多个显示段聚集到用户的视网膜上来创建宽视场(FoV)图像。该系统包括每只眼睛对应的两个或更多个图像面板，每个图像面板对应的两个或更多个平面反射表面，以及折射目镜元件。来自每个图像面板的光在到达眼睛之前被一组不同的光学表面反射，对应每只眼睛形成至少两个重叠的虚像。另外，来自每个虚拟图像的光被具有正屈光力的至少一个光学表面折射，使得它们的虚像位于用户眼睛可以舒适地聚焦的距离处。

本发明允许图像面板在物理上位于比其它光学部件的质心更靠近用户面部的位置。这种几何形状允许装置的大部分重量保持靠近使用者的面部，从而提供舒适的重量分布。

例如，如果将该装置装配到类似于常规方形眼镜的壳体中，则具有靠近面部的质心的系统将允许其围绕鼻垫的扭矩最小化。这可能潜在地使得装置能够通过搁置在使用者的耳朵和鼻子上而相对于头部固定，而不需要围绕头部的带子。

在优选实施例中，该装置包括两个图像面板，目镜元件和主要反射元件。两个图像面板相对于目镜元件定位在设备的两个相对端上，因为面板被设计成面板位于眼睛的上方和下方。然后，从每个图像面板发射的光通过多个光学表面传递到眼睛。光首先被主要反射元件中的第一和第二表面反射，然后在到达眼睛之前从正菲涅耳透镜表面折射。

优选的图像面板是标准液晶面板，但也可以是其它已知的图像面板技术，例如有机发光二极管(OLED)。为了减少不需要的光学表面之间的串扰，可以将面板设计成具有空间变化的亮度分布。例如，在液晶显示器中，可以使用已知的定向背光设计或通过在图像面板之后使用百叶窗片来实现这种亮度分布。

尽管优选实施例描述了菲涅耳透镜表面的使用的降低了系统的总重量，但是这些表面中的至少一个也可以由其它已知的透镜表面类型代替。例如，折射菲涅耳透镜表面可以由具有连续曲率，全息或衍射元件的透镜表面代替。

随后的实施例描述了替代方案，其还包括反射元件的类似布置和具有至少两个光轴的目镜元件的使用。在一个实施例中，该装置每个光路具有至少两个正功率表面。在另一个实施例中，来自图像面板的有助于较大视场的光通过与有助于较小视场的光不同的光路传输。这可以允许图像的中心具有比周边视野更高的图像质量，同时保持设备紧凑。

为了实现前述和相关目的，本发明包括在下文中充分描述并在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的某些说明性实施例。然而，这些实施例仅指示可以采用本发明原理的各种方式中的一些方式。当结合附图考虑本发明的以下详细描述时，本发明的其它目的，优点和新颖特征将变得显而易见。

附图说明

在附图中，类似的参考标记表示相同的部件或特征：

【图1】

图1：本发明的第一实施例，示出了主要的光学元件。

【图2】

图2：第一实施例，示出了目镜元件的可能的表面曲率形状。

【图3】

图3：第一实施例，示出了菲涅耳目镜元件的可能形状。

【图4】

图4：第一实施例，示出了由图像面板的虚拟图像的重叠部分。

图4(A)：观察HMD时用眼睛在设备的中心。

图4(B)：观察HMD时眼睛偏离中心并以最佳观察位置的角度转动。

图4(C)：显示从HMD的上半部分的视场大于主要反射元件的第二反射表面的角度大小。

【图5】

图5：第二实施例，示出了使用具有空间可变亮度分布的图像面板实现低串扰的方法。

【图6】

图6：第三实施例，示出了目镜元件包括三个区段的配置。

【图7】

图7：第三实施例，示出了目镜元件的可能形状。

【图8】

图8：第三实施例，示出了菲涅耳目镜的可能形状。

【图9】

图9：第四实施例，其中反射表面的顶点由不连续的光学元件代替。

【图10】

图10：第四实施例，示出了在小视场内图像的光路。

【图11】

图11：第四实施例，示出了在大视场内图像的光路。

【图12】

图12：第四实施例，示出了导光组件可以具有弯曲表面的可能性。

【图13】

图13：第五实施例，其中在装置中使用部分反射表面以增加从图像面板到目镜透镜的光学距离。

【图14】

图14：第六实施例，其中使用部分反射表面来增加虚像的重叠。

【图15】

图15：第七实施例，其中使用透镜阵列在视网膜上产生来自每个图像面板的多个重叠图像片段。

【图16】

图16：第八实施例，其中全头戴式显示器包括至少一个由双眼共享的图像面板。

【图17】

图17：第九实施例，其中目镜由单个棱镜块制成。

【图18】

图18：第十实施例，其中系统包括凝视跟踪器，使得图像变换可以取决于眼睛位置。

【图19】

图19：第十一实施例，其中元件是弯曲的。

【图20】

图20：第十一实施例，其中元件在与头部相同的方向上弯曲。

具体实施方式

本发明的一个方面是关于头戴式显示器或固定到头部的类似显示装置。在实施例中，该显示装置包括每个眼睛对应两个或更多个图像面板，每个图像面板对应两个或更多个平面的反射表面，以及折射的目镜元件。

实施例一

本发明的第一实施例如图1-4所示。

图1显示了优选实施例中的组成。如图所示，图1的实施例具有用于显示第一图像的第一显示面板2a和用于显示第二图像的第二显示面板2b。第一和第二显示面板由一个或多个控制器(未显示)控制，分别显示第一和第二图像。一般来说，第一图像和第二图像是视频图像(即第一和第二图像序列)，但第一图像和第二图像原则上可以是静止图像。

图1的实施例还具有第一和第二目镜元件，第一目镜元件具有第一光轴，第二目镜元件具有第二光轴，第一光轴大致平行于第二光轴延伸但偏离第二光轴。在该实施例中，第一目镜元件和第二目镜元件以单个目镜元件4呈现，如图2或图3中更清楚地示出的，但是本发明不限于此。

图1的实施例还具有第一反射元件和第二反射元件。第一反射元件用于将来自第一显示面板2a的光通过所述第一目镜元件沿着第一光路导引至光学系统的观察区，以形成第一图像的第一虚像。第二反射元件用于将来自第二显示面板2b的光通过第二目镜元件沿着第二光路导引至光学系统的观察区，以形成第二图像的第二虚像。第一光路不同于第二光路，且第一和第二虚像彼此重叠。在该实施例中，第一反射元件和第二反射元件以单个反射元件3呈现，但是本发明不限于此。

在图1的实施例中，第一显示面板2a位于第一反射元件3的与观察区相同的一侧，并且第一目镜元件4位于第一反射元件3的与观察区相同的一侧。类似地，在图1的实施例中，第二显示面板2b位于第二反射元件3的与观察区相同的一侧，第二目镜元件4位于第二反射元件3的与观察区相同的一侧。在该实施例中，第一显示面板2a与第二显示面板2b横向间隔开，并且第一和第二目镜元件4设置在第一显示面板2a和第二显示面板2b之间。在该实施例中，第一显示面板2a和第二显示面板2b可以大致位于共同的平面中，但是本发明不限于此。同样在该实施例中，第一显示面板2a，第二显示面板2b和目镜元件4通常可以位于共同的平面中，但是本发明不限于此。

在该实施例中，该系统包括每个眼睛对应的两个图像面板(2a-2b)，反射元件3和目镜元件4。图像面板2a，2b，反射元件3和目镜元件4通常沿垂直于纸面的方向延伸。在例如头戴式显示器中应用本发明的情况下，可以为用户的每只眼睛单独提供图像面板2a，2b，反射元件3和目镜元件4；或者，图像面板2a，2b，反射元件3和目镜元件4中的一个或多个，并且可能全部，可以是双眼共用的。

应当注意，图1是该光学系统的一个观察区的横截面——当使用包含该光学系统的装置(例如HMD)时，用户的眼睛1将位于观察区中。通常，该装置应具有两个观察区，每个观察者对应用户的一只眼睛——这可以通过提供单独的光学系统来完成，每个光学系统产生一个观察区，或者通过安排单个光学系统产生两个观察区。

这两个图像面板2a，2b分别位于目镜元件4的相对两侧，使得当用户观看设备时它们位于眼睛1的上方和下方。为方便起见，图像面板将被描述为在眼睛的“上方”和“下方”，但应该理解，术语“上方”和“下方”涉及该装置在其预期方向上使用。从每个面板发射的光被主要反射元件3的第一反射表面反射，被主要反射元件的第二反射表面反射，然后在朝向用户的眼睛1离开设备之前被正功率目镜元件4折射。(为了清楚起见，图1中省略了目镜元件的表面曲率的细节，但是在图2和图3中示出)两个图像面板由目镜元件4放大，使得两个虚像形成于距离用户大约大于300mm的位置，这个距离可以被眼睛聚焦。为了使用户从设备中看到连续图像，这两个虚拟图像也必须在空间中部分重叠。

在优选实施例中，图像面板2a，2b是液晶显示面板，但是也可以使用其它已知的图像面板技术(例如有机发光二极管(OLED))来实现类似的功能。

优选的主要反射元件3包括对应每个眼睛的四个反射表面段，其中每一对反射表面用于反射来自其中一个图像面板的光。在本实施例中，如图1所示，对于第一显示面板2a的至少一部分发出的光，从第一显示面板2a到观察区的光路包括该反射元件的多次反射；从第二显示面板2b到观察区的光路(未示出)也是如此。在该实施例中描述的每个反射表面都是平面，但是与目镜元件4的表面相比也可以具有一些小的可忽略的屈光度。每个表面可以具有与z轴正交的45度±15度的正常取向。为了使成本最小化，反射表面可以简单地涂覆金属。然而，每个反射表面可以使用其它已知方法实现，例如反射介电涂层，菲涅耳反射或全内反射。

图2中示出了目镜元件4的表面曲率的示意图。该元件包括两个凸表面。凸表面可以位于该元件的面向眼睛的一侧。但是在替代配置中，弯曲表面也可以在元件的背向眼睛的一侧，或者两侧上。曲率表面沿着一条线表现出一定程度的不连续性，当组装时，该线与主要反射元件(图1中的标号3)的边缘对齐，从而使两个光轴间隔一定距离101。这两个光轴的分离将允许两个图像面板的虚像以增大的角度重叠，从而能够增加眼框尺寸。

实际上，在优选实施例中，通过将该元件转换成如图3所示的菲涅耳透镜，可以保持目镜元件的曲率。通过这样做，可以大大减小元件的厚度和重量。另外，该元件还可以包括用于折射或衍射光的其它已知技术，以实现具有低像差的薄透镜。

图4A-4C描述了优选实施例的原理，其中使用目镜元件和反射元件3创建顶部和底部图像面板102a，102b的虚像。(为了清楚起见，图4A和4B中省略了目镜元件)两个面板的虚拟图像在区域103重叠。反射元件的尺寸对两个图像面板的可见区域施加限制。图4A示出了眼睛围绕设备的虚线平面105(将来自上部图像面板2a的光线与来自下部图像面板2b的光线分开的平面)定位。该位置也是设备的理想观察位置。这里，用户将能够看到顶部面板的视场104内的图像。图4C示出，由于眼睛的有限瞳孔尺寸，该视野将略大于元件3上的第二反射表面的角度范围109。底部图像面板的视场将具有与视场104互补但具有一些重叠，使得图像对于用户看起来是连续的。

然而，由于眼睛和设备之间不可避免的错误定位，实际上眼睛的中心通常与理想观看位置相距一定距离。在这种情况下，反射元件3将在顶部和底部图像上施加不同的视场限制(106a，106b)。因此，具有较大重叠103的设计将允许系统具有较大的眼框尺寸。

值得一提的是，虽然本实施例中的光学元件已被画成在眼睛上方和下方对称，但并非必须如此。眼睛上方和下方的各种元件的轮廓可以是不对称的，以基于视野对人眼的分辨率要求和装置的重量分布来优化。例如，因为人眼的视网膜的中央凹位于眼睛的屈光因子的光轴上方，所以位于人眼视线稍下方的图像通常比视线上方的图像具有更大的重要性。可以考虑这些因素，使得顶部和底部图像的重叠区域(其可能对人工制品敏感)位于远离中央凹的一定角度。

后续实施例将参考实施例一进行说明，并且将仅讨论后续实施例与实施例一之间的差异。

实施例二

图5示出了第二实施例，其描述了优选LCD图像面板2a的设计。图像面板的亮度分布在其区域内变化。在该示例中，图像面板包括照明单元6和光调制单元7。照明单元是已知的背光设计，具有空间变化的亮度分布；而光调制单元是标准LCD屏或其它合适的调制器。使用具有在其区域上变化的亮度分布的图像面板，例如通过使用具有空间可变亮度分布的背光(也称为定向背光单元)，可以减少来自错误光学表面之间的图像面板的串扰。作为空间变化的亮度分布的一个示例，图像面板更靠近目镜元件的区域(其有助于最终图像的外围视野)可以被设计为比远离目镜元件的区域(其有助于最终图像的中心视野)107a具有更窄的亮度分布107b(即，更小的亮度角度范围)。这将减少直接从面板2a到反射元件3或目镜元件4的第二反射表面的不希望的串扰。

使用其它已知方法也可以实现降低串扰的类似结果。例如，可以在光调制单元7之后放置诸如百叶窗片(或隐私屏幕)之类的导光装置。百叶窗片可以具有沿着图像面板的不同区域变化的网格尺寸和形状。如果在LCD图像面板之后使用百叶窗片，则元件6可以采用普通LCD背光(或另一种非定向背光)取代定向背光。然而，如果图像面板基于OLED而不是LCD，则不需要背光，这意味着在这种情况下，百叶窗片将是实现低串扰的优选解决方案。

实施例三

图6-8示出了本发明的第三实施例。

图6示出了第三实施例的组成。在该实施例中，目镜元件10包括三个区段，这三个区段将被称为主要区段和两个次要区段。目镜的次要区段可以自该主要区段在与目镜的主要区段交叉的方向上延伸，并且延伸方向可选地垂直于或基本垂直于目镜的主要区段。当从侧面看时，目镜元件的区段可以形成“U形”。从每个面板发射的光被主要反射元件3的第一反射表面反射，然后由目镜元件10的第一段(其中一个次要区段)折射。在朝向用户的眼睛1离开设备之前，相同的光线随后被被主要反射元件3的第二反射段反射，随后由目镜元件10的次要区段折射。

为清楚起见，图6中省略了目镜元件的表面曲率的细节。图7中示出了目镜元件10的表面曲率的示意图。目镜元件的主要区段11和两个次要区段12都可以具有正光焦度，因此可以具有凸表面轮廓。在图7中，所有凸面都位于元件的朝外侧，但是在替代配置中，曲面可以替代地在元件的朝外侧的相对侧或两侧上。主要区段的曲率可以具有在第一实施例中描述的轮廓。另外，次要区段12的光轴可以不位于该段的中心，而是可以偏离该段中心，以便允许图像板具有适合于眼睛自然动作的视区。

因为各个透镜表面的光轴可能偏离眼睛的主光轴，所以诸如倾斜散光的像差可能对装置的图像质量具有显着影响。为了克服这一点，主要区段和次要区段11-12上的表面曲率将不受以广义多项式形式描述的表面的影响。这些表面可以使用诸如注射成型的技术廉价地大量制造。

尽管目镜元件可以制造为多个部件，但是为了节省组装成本，整个目镜元件也可以注塑成单件。如果主模具的设计证明是昂贵的，则目镜元件也可以设计成模制成单件，其中柔性/活动铰链位于目镜元件15的主要区段和次要区段之间的接合处。在这种情况下所有区段的弯曲表面可以由单个母模形成，其中铰链可以弯曲以在组装过程中将目镜元件包裹成“U形”。

可以通过将这种元件的所有主要区段和次要区段的其中一个或多个，以或者全部转换成如图8所示的菲涅耳透镜，以保持该目镜元件的曲率。通过这样做，元件的厚度和重量可以大大减小，同时可以保持每个区段13，14的焦距特性。

实施例四

第四实施例如图9所示，与第三实施例的主要区别在于原始反射元件和目镜元件(图6中的标号3和10)的顶点已被截断(如标号20和21)。截断的厚度部分地由导光组件22代替。导光组件22的布置成：对于由第一显示面板2a的第一部分发射的光，从第一显示面板到观察区的光路不会穿过导光组件22；对于由第一显示面板2a的第二部分发射的光，从第一显示面板到观察区的光路穿过导光组件22。这样的系统保证装置具有减小的厚度108，而不会损害小视场的图像质量。

图10和11示出了第四实施例的原理，其示出了该装置的顶部图像面板的不同光路。(为清楚起见，图9-12中省略了目镜元件的表面曲率的细节)图10示出了图像面板2a的部分发射的光线的光路进一步由目镜元件发射，该光路保证图像面板的虚拟图像的中心视野。图中描绘的光线以与第三实施例类似的顺序通过系统传送，除了图像面板2a的部分发射的光线进一步由目镜元件发射后通过用于输出具有限定的偏振状态的光线的光学模块23b透射。该光线随后被反射元件20和目镜元件21反射和折射，产生具有小视场的虚像27。

图11示出了有助于图像面板的虚像的外围视野的光线的光路。这些光线由图像面板的不同区域发射，例如图像面板2a的靠近目镜元件的部分，并且这些光线与有助于较小视野的图像27的光线相比，可以导引通过不同的部件。在图11中，有助于较大视野的图像28的光线可以源自顶部图像面板2a的下半部分。它们通过不同的用于输出具有限定的偏振状态的光线的光学模块23b透射，使得出射的光线具有与从第一光学模块23a出射的光正交的偏振状态。然后出射的光线进入导光组件22，在导光组件22中，光线在重新出现元件之前经历至少三次反射。然后，在被用户观看之前，出射的光线被目镜元件21的主要区段折射。

当与目镜元件21的放大率组合时，导光组件22的功能是产生较大视野的虚像28，其与较小视场的虚像27合并。

该实施例可以包括阻挡装置，用于阻挡由第一显示板的第一部分发射的光进入光导。图11中示出了可能的导光组件的示例。该示例性组件包括反射偏振器24，光学相位延迟器25和次要反射元件26。虽然光线被传输的顺序可以是已知的(如在US6853491B1和EP2030186A1中描述的)，为了使不同的视野的图像27，28的重叠，可能需要布置相对于彼此倾斜的光学片24-26。反射偏振器24布置成将传输由第二光学模块23b输出的偏振状态的光，但是将阻挡或基本上阻挡由第一光学模块23a输出的偏振状态的光。

如果对较大视野的图像28有贡献的光不通过目镜元件的次要区段，则可能需要导光元件22具有正的光焦度或曲率以校正光学像差。例如，在图12中，光导或光学片可以是弯曲的，使得从弯曲表面29a-b反射的光被放大。在替代布置中，还可以设计光导以使得离开光导的光线穿过目镜元件的两个折射表面。

由于导光元件22的目的是用原始实施例替换反射元件的顶点，因此其厚度应足够薄，使得其延伸到不超过元件20的反射表面之间的投影交叉。

实施例五

图13表示本发明的第五实施例。这里，提供另一反射元件，使得从图像面板的第一区域到观察区的光路还包括该另一反射元件的反射。例如，添加倾斜的反射偏振器或部分反射表面30，使得图像面板2a和目镜元件33之间的光学距离增加。从图像面板出射的光由元件30传输，由主要反射元件31反射，由部分反射元件30反射，然后由目镜元件33的表面折射。然后光通过次要反射元件32的一个面进一步反射，并朝向观察区。在该实施例中，主要反射元件31的反射和次要反射元件32的面的反射对应于图1中的反射元件3的两次反射。为了清楚，图13中省略了目镜元件33的表面曲率的细节。

如果元件30是反射偏振器，则可以在元件30和元件31之间的光路上添加另外的四分之一相位延迟器，使得在光通过相位延迟器两次之后，光的偏振旋转90度。这将使系统具有更高的光学功能。

该实施例将允许使用具有更长有效焦距或更小放大率的目镜元件，从而允许用户看到高质量的图像。使用其它已知的用于增加显示面板2a和目镜元件之间的光路长度的排配也可以实现该实施例的优点，该排配可以包括部分反射镜和反射偏振器，以在不增加装置物理尺寸的情况下延伸光路。

实施例六

图14表示本发明的第六实施例。该实施例包括两个图像面板40a-b，它们以彼此正交或基本偏振的状态发光。(例如图像面板40a，40b可以各自实施为图像面板和设置在从面板发射的光的路径中的偏振元件。)来自顶部图像面板40a的光被主要反射元件41a的第一平面表面反射，被目镜元件43的第一曲面折射，被第二反射表面42a反射，并在离开设备之前被目镜元件的第二曲面折射。(为清楚起见，图14中省略了目镜元件的表面曲率的细节)同样地，来自底部图像面板40b的光线通过类似的顺序从面板转移到眼睛：光线被主要反射元件41b的不同的第一平面表面反射，被目镜元件43的不同表面折射，由第二反射表面42b反射，并由目镜元件的第二曲面折射。

反射表面42a-b可以是反射偏振器，其用以传输一种偏振状态的光和反射正交偏振状态的光。也就是说，反射表面42a可以基本上或完全地反射由图像面板40a发射的偏振状态的光，并且可以基本上或完全传输由显示面板40b发射的偏振状态的光，而反射表面42b可以基本上或完全地反射由图像面板40b发射的偏振状态的光，并且可以基本上或完全传输由显示面板40b发射的偏振状态的光。附加地或替代地，主要反射元件41a，41b可以是反射偏振器，其用以传输一种偏振状态的光和反射正交偏振状态的光。因此，来自面板上半部的光不会受到表面42b的影响，来自下半部的光不会受到42a的影响。这样的配置可以允许系统在顶部图像和底部图像之间具有更大的重叠，这允许眼睛有更大移动空间而不会看到两个图像之间的间隙，从而导致更大的“眼框”尺寸，图像的上半部和下半部更平滑的重叠，以及更紧凑的物理尺寸。

为了将交叉反射偏振片42a，42b保持在适当位置，反射偏振器42a，42b可以嵌入玻璃或透明聚合物中，其几何形状类似于投影仪中常见的“X立方体”光组合器。在完成此操作的实施例中，一个或多个其它元件，诸如目镜元件43，主要反射元件41a和/或主要反射元件41b也可以嵌入玻璃或聚合物中以将其保持相对于反射偏振片42a，42b期望的中的取向。

实施例七

图15示出本发明的第七实施例。为清楚起见，图15中省略了目镜元件的表面曲率的细节。该实施例与第五实施例的主要区别在于，在从图像面板2a到观察区的光路中，将透镜阵列50添加到系统中。该透镜阵列包括至少两个彼此相邻定位的小透镜。每个小透镜产生较大图像的子部分，使得来自所有小透镜的图像在用户观看时将重叠并组合成完整图像。

该实施例提供了若干优点。首先，如果所使用的小透镜的宽度小于6mm或人瞳孔的直径(在考虑目镜元件的放大率之后)，则系统将能够显示光场信息。这意味着系统将能够向用户显示呈现焦点/适应深度线索的3D图像。

其次，使用透镜阵列可以降低目镜所需的功率和光学元件之间的物理距离，从而使装置更紧凑。

第三，如果透镜阵列中的小透镜具有可以针对每个小透镜独立选择的焦距和宽度，则可以单独优化每个小透镜以校正像场角度相关的像差，例如像场弯曲，从而改善系统的图像质量。

尽管已经将透镜阵列50的位置绘制成位于部分反射元件30和反射元件31之间，但是透镜阵列也可以放置在其它光学部件之间，只要透镜阵列保持在图像在被目镜元件51放大之后不在眼睛的聚焦处。

附加地或替代地，透镜阵列可以位于从图像面板2b到观察区的光路中。

实施例八

图16示出了第八实施例，其中，图像面板60a-b中的至少一个由双眼共享代替每个眼睛对应具有两个图像面板和总共四个图像面板。作为示例，在图16的实施例中，一个图像面板(上图像面板60a)由双眼共享，而另一图像面板(下图像面板60b)被实现为每只眼睛的单独图像面板。在其它示例(未示出)中，两个图像面板可以由双眼共享，或者仅两个眼睛可以共享下图像面板。

这种配置可以用于降低系统的组装成本，并且如果系统提供宽的水平视野也将特别有用。

实施例九

图17示出了第九实施例，其中，代替具有“U形”目镜元件(图6中的标号10)，目镜元件可以由单个实心棱镜块70制成，其中三个表面中的至少两个光进入或离开棱镜可以是弯曲的或具有自由形状的菲涅耳透镜的形状。为清楚起见，图17中省略了目镜元件的表面曲率的细节。

该配置可以降低目镜元件的两个弯曲表面之间的对准成本/要求。

实施例十

图18示出了第十实施例，其中系统包括凝视跟踪器80(优选地为每只眼睛提供单独的凝视跟踪器)。为清楚起见，图18中省略了目镜元件的表面曲率的细节。凝视跟踪器可以监测用户眼睛的位置和/或方向，使得在面板2a上显示的图像和/或在面板2b上显示的图像可以变换，该变换取决于监视的眼睛参数，例如位置和/或方向。

在没有凝视跟踪器的系统中，如果眼睛移动超出预期观察位置一定距离，则顶部和底部图像面板可能看起来不对齐。基于凝视跟踪器的图像变换可以帮助扭转这种不对齐，从而增加系统的眼框尺寸并提高系统的图像质量。

优选的凝视跟踪器基于红外摄像机，并且可以包括照亮眼睛的红外LED光源。然而，凝视跟踪器还可以基于其它已知技术，包括其它基础相机或基于眼电图的眼动仪。

此外，凝视跟踪器也可以放置在与设备其余部分的形状互补的位置。例如，图19示出了凝视跟踪器隐藏在“W形”主要反射元件81的凹侧内。这将允许安装凝视跟踪器而不会增加设备的额外厚度。另外，主要反射元件81也可以是红外部分透明的，使得可以通过凝视跟踪器获得眼睛的图像，而不会引起可见光的光学效率损失。

如果凝视跟踪器的定位使得它通过目镜元件10的主要区段对眼睛成像，则还可能出现附加功能。因为目镜元件具有分离的光轴，所以单个凝视跟踪器将能够获得眼睛的立体信息。这将允许使用单个凝视跟踪器定位眼睛的3D位置。

实施例十一

图19示出了第十一实施例，其中图像面板90是弯曲的。目镜元件91也可以是弯曲的或半月板，使得它在面板的方向上弯曲。配备弯曲的图像面板可具有若干优点。首先，如果面板如图所示朝远离头部弯曲，该配置将得到更好的图像质量，因为由目镜引起的场曲率可以通过面板的曲率来补偿。

另外，当眼睛转动以观察弯曲面板的边缘时，面板表面的法线与眼睛的注视方向之间的角度将减小。这可以改善大视野下的图像面板的亮度性能。

另一方面，如果图像面板在相反方向上弯曲，则将产生不同的优点(图20，示出图像面板93a，目镜元件93b和主反射元件93c朝向观察者的方向的位置弯曲而不是如图19所示的朝向远离眼睛的方向弯曲)。这种几何形状将使装置更轻并且体积更小，因为面板可以与使用者面部的形状紧密贴合。

尽管实施例已经示出和描述了本发明，但是本领域技术人员在阅读和理解本说明书和附图时可以想到等同的改变和修改。特别是关于由上述元件(部件，组件，装置，组合物等)起到的各种功能，用于描述这些对应元件的术语(包括对一种“手段”的引用)，除非另有说明，对于执行上述元件的指定功能的任何元件(即，功能上等同的)，尽管在结构上不等同于在本发明的实施例中执行功能的所公开的结构。另外，尽管仅针对若干实施例中的一个或多个描述了本发明的上述特定特征，但是这样的特征可以与其它实施例的一个或多个其它特征组合，这对于任何给定或特定的应用是期望的和有利的。

工业适用性

工业应用将主要关于可穿戴显示器，特别是用于实现小而轻的头戴式显示器(HMD)。本发明的主要优点允许该装置具有紧凑的形状，以及重量分布接近用户的面部而不损害图像质量和分辨率。主要发明使用简单的平面反射器和目镜元件，其从每只眼睛的两个图像面板产生至少两个重叠的虚拟图像，允许用户看到单个连续的宽视场(FOV)虚拟图像。

使用本发明制造的硬件可用于消费者和专业市场的虚拟现实(VR)和增强现实(AR)领域。由本发明制造的HMD可以包括日常使用，游戏，娱乐，任务支持，医疗，工业设计，导航，运输，翻译，教育和培训的应用。

主要元件符号说明

1：眼睛

2：(a-b)图像面板

3：主要反射元件

4：目镜元件

5：菲涅耳透镜形式的目镜元件

6：图像面板的照明单元

7：图像面板的光调制单元

10：第三实施例的目镜元件

11：第三实施例的目镜元件的主要区段

12：第三实施例的目镜元件的次要区段

13：第三实施例的菲涅耳透镜形式的目镜元件的主要区段

14：第三实施例的菲涅耳透镜形式的目镜元件的次要区段

15：第三实施例的目镜元件的主要区段和次要区段之间的接合

20：第四实施例的主要反射元件

21：第四实施例的目镜元件

22：第四实施例的导光组件

23(a-b)：第四实施例的光学模块

24：第四实施例的反射偏振片

25：第四实施例的光学相位延迟器

26：第四实施例的次要反射元件

27：第四实施例的顶部面板的较小视场虚像

28：第四实施例的顶部面板的较大视场虚像

29(a-b)：第四实施例的反射/部分反射表面

30：第五实施例的部分反射元件

31：第五实施例的主要反射元件

32：第五实施例的次要反射元件

33：第五实施例的目镜元件

40(a-b)：第六实施例的图像面板

41(a-b)：第六实施例的主要反射元件

42(a-b)：第六实施例的反射偏振片

43：第六实施例的目镜元件

50：第七实施例的透镜阵列

51：第七实施例的目镜元件

60(a-b)：第八实施例的图像面板

70：第九实施例的目镜元件

80：第十实施例的凝视跟踪器

81：第十实施例的主要反射元件

90：第十一实施例的弯曲图像面板

91：第十一实施例的目镜元件

92：第十一实施例的主要反射元件

93(a-c)：第十一实施例的弯曲光学部件

101：初级目镜元件的光轴分离

102(a-b)：图像面板的虚拟图像

103：图像面板的虚像的重叠区域

104：眼睛可见的顶部面板的视场。

105：主要反射元件的虚线平面，其划分顶部和底部图像面板的光路。

106(a-b)：每个图像面板的光路内的最受限制的光学表面限制的图像面板的视场。

107(a-b)：从图像面板的不同区域出射的光的角度扩散

108：光学设备的厚度

109：主要反射元件的次级反射表面的角度范围

Claims

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：

用于显示第一图像的第一显示面板；

用于显示第二图像的第二显示面板；

第一目镜元件和第二目镜元件，所述第一目镜元件具有第一光轴，所述第二目镜元件具有第二光轴，所述第一光轴平行于所述第二光轴延伸但偏离所述第二光轴；

第一反射元件，用于将来自所述第一显示面板的光通过所述第一目镜元件沿着第一光路导引到所述光学系统的观察区，以形成所述第一图像的第一虚像；

第二反射元件，用于将来自所述第二显示面板的光通过所述第二目镜元件沿着第二光路导引至所述光学系统的所述观察区，以形成所述第二图像的第二虚像；所述第一光路不同于所述第二光路，且所述第一虚像和所述第二虚像彼此重叠；

所述第一显示面板位于所述第一反射元件的与所述观察区相同的一侧，所述第一目镜元件位于所述第一反射元件的与所述观察区相同的一侧，

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述第二显示面板位于所述第二反射元件的与所述观察区相同的一侧，所述第二目镜元件位于所述第二反射元件的与所述观察区相同的一侧。

3.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于：所述第一显示面板与所述第二显示面板横向间隔开，并且所述第一目镜元件和所述第二目镜元件设置在所述第一显示面板和所述第二显示面板之间。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的光学系统，其特征在于：对于所述第一显示面板的至少一部分发出的光，从所述第一显示面板到所述观察区的光路包括所述第一反射元件的多次反射。

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述第一显示面板包括一个设置在来自定向背光的光路中的图像显示面板。

6.如权利要求1或5所述的光学系统，其特征在于：所述第一显示面板包括设置在来自图像显示面板的光路中的导光装置。

7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述第一目镜元件包括至少一个菲涅耳透镜。

8.如权利要求1或7所述的光学系统，其特征在于：所述第一目镜元件包括一个主要区段和两个次要区段，所述第一目镜元件和所述第一反射元件布置成：对于由所述第一显示面板的至少一部分发射的光，所述第一光路依次包括所述第一反射元件的第一次反射，所述第一目镜元件的所述主要区段的折射，所述第一反射元件的第二次反射，以及所述第一目镜元件的所述次要区段的折射。

9.如权利要求8所述的光学系统，其特征在于：所述第一目镜元件的次要区段可以自所述主要区段在与所述主要区段交叉的方向上延伸。

10.如权利要求9所述的光学系统，其特征在于：所述第一目镜元件的所述主要区段包括一个第一菲涅耳透镜和/或所述第一目镜元件的所述次要区段包括一个第二菲涅耳透镜。

11.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述第一反射元件包括光导，所述光导的安装使得：对于所述第一显示面板的第一部分发射的光，所述第一光路不经过所述光导；对于所述第一显示面板的第二部分发射的光，所述第一光路经过所述光导。

12.如权利要求11所述的光学系统，其特征在于：所述第一显示面板的第二部分比所述第一显示面板的第一部分更邻近所述观察区。

13.如权利要求11或12所述的光学系统，其特征在于：所述光学系统包括阻挡装置，所述阻挡装置用于阻挡由所述第一显示面板的第一部分发射的光进入所述光导。

14.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述光学系统包括一个附加反射元件，所述附加反射元件的安装使得所述第一光路进一步包括所述附加反射元件的反射。

15.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述第一显示面板布置成发射第一偏振光，所述第二显示板布置成发射与所述第一偏振光正交或基本正交的第二偏振光；其中所述第一反射元件设置成反射所述第一偏振光并透射所述第二偏振光，并且所述第二反射元件设置成反射所述第二偏振光并透射所述第一偏振光。

16.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述光学系统包括设于所述第一光路中的透镜阵列。

17.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述光学系统包括凝视跟踪器，所述凝视跟踪器用以在所述光学系统中监测用户眼睛的位置和/或方向。

18.如权利要求17所述的光学系统，其特征在于：所述光学系统适于基于所述凝视跟踪器的输出控制所述第一图像显示面板和/或所述第二图像显示面板。

19.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述第一图像显示面板和/或所述第二图像显示面板是非平面板。

20.一种头戴式显示器，其特征在于，所述头戴式显示器包括一种如权利要求1-19中任意一项所述的光学系统。