CN110275298A - 具有铰链式镜头结构的紧凑型便携式头戴显示系统 - Google Patents

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CN110275298A CN201910188599.9A CN201910188599A CN110275298A CN 110275298 A CN110275298 A CN 110275298A CN 201910188599 A CN201910188599 A CN 201910188599A CN 110275298 A CN110275298 A CN 110275298A
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Abstract

一种头戴显示(HMD)系统，包括：光学装置、第一图像面板、第二图像面板、以及位于第一和第二图像面板之间的中央图像面板。光学装置维持第一光学路径和第二光学路径并能够在第一位置和第二位置之间重新配置，且HMD系统在光学装置处于第二位置时的形状与处于第一位置时不同。光学装置包括至少一个分段光学部件，分段光学部件的各段能够相对于彼此运动，以在第一位置和第二位置之间重新配置光学装置。至少一个分段光学部件包括一个或多个透镜组件，每个透镜组件具有多个透镜段，这些透镜段可围绕铰链结构相对于彼此转动。

Description

具有铰链式镜头结构的紧凑型便携式头戴显示系统
技术领域
本发明应用于紧凑型可穿戴显示领域，尤其应用于诸如虚拟现实和增强现实的头戴显示(Head-Mounted Display，HMD)系统。
背景技术
HMD系统是一种可穿戴设备，在消费电子行业中越来越受欢迎。HMD以及同类设备诸如头盔显示器、智能眼镜和虚拟现实耳机，允许用户佩戴显示设备，使得硬件固定至用户头部而不受运动影响。
当与环境传感器，诸如摄像机、加速计、陀螺仪、指南针和光度计结合使用时，HDM可为用户提供虚拟现实和增强现实体验。虚拟现实(Virtual Reality，VR)允许用户完全沉浸到虚拟世界中，其中用户看到的一切都来自显示设备。提供增强现实(AugmentedReality，AR)的设备允许用户视觉上看到环境，并且由显示设备生成的图像添加到场景中与环境融合。因此，传统的VR和AR技术涉及安装在用户头部前方的显示器，其具有确定虚拟图像位置和场的镜头配置。
典型商业VR或AR系统的基本布局(涵盖涉及和不涉及利用智能手机作为显示器)包括显示设备和将显示光成像到远场以使观看舒适的镜头结构。为了确保足够的放大率，具有宽视场并且在距离眼睛足够远的距离处形成虚像的布置的尺寸是受限的。此外，显示器距离眼睛的距离相对较远，意味着该设备必须绑在头上才能不脱落。另外，佩戴时设备的重量靠前，意味着由于设备的重量在头部周围产生扭矩，长期观察可能使面部和颈部疲劳。这种系统中使用的透镜元件可以是已知的普通曲面透镜，或者是已知的具有角度特征的结构化菲涅耳透镜，或者其它已知的具有一个或多个透镜的透镜结构。
HMD的主要元件之一是安装在头部上的显示模块。然而，由于无辅助，人眼无法适应(即，改变光学功率以提供聚焦图像)距离眼睛小于一定距离的图像，目镜需要重新成像显示模块，使得生成的显示图像与用户保持舒适的观看距离。这种光学配置在目镜和显示模块之间需要相当大的空间。此外，如果HMD需要显示高质量和宽视场(Field of View，FOV)的图像，则需要复合透镜。传统系统中的这些需求的结果是头戴式设备沉重且庞大，其在任何时长下的佩戴均不舒适，并且为了实现正确的放大率和虚拟图像距离，其尺寸受基本光学器件的限制。
鉴于传统结构的庞大性(因为传统的HMD系统占用了大量的存储和运输空间)，便携性已成为一个问题。在一种类型的HMD系统中，图像面板通过适当的放大光学器件固定安装到HMD系统中。这种类型的HMD结构包括显示设备和透镜部件，将图像显示到远场中以实现舒适的观看效果。透镜和显示器都安装在某种形式的固定外壳内。在这方面，固定外壳是保持光学部件的相对位置和方位的结构，光学部件不能从该相对位置和方位移除，其中显示器被认为是光学部件之一。许多这样的系统不可折叠并且形状固定。在替代的结构中，已经尝试减小形状(例如关于头带和/或佩戴型)，涉及了保持光学部件固定并且提供HMD壳体的折叠。由于显示器的尺寸和镜头显示距离决定了只能放大HMD的形状，因此通过使用这些提供可折叠外壳结构同时保持光学元件固定的方法，形状几乎没有减少。
在另一种类型的HMD系统中，其框架或外壳结合于或“插入”智能手机。对于插入智能手机的HMD系统，通常需要用户在使用HMD系统之后移除智能手机，这消除了镜头显示距离的约束，并且允许HMD框架或外壳在没有智能手机的情况下可折叠或以其它方式重新配置。在这方面，可重新配置的壳体是一种保持光学部件相对位置和方位的结构，其中光学部件能够从该相对位置和方位插入和移除。在典型的商业系统中，显示器以智能手机的形式实现，其可以通过卡扣配合或类似操作容易地从壳体上移除。当从壳体中移除一个或多个光学部件时(例如移除智能手机)，壳体能够重构以便于储存和运输。然而，便携性的好处通常被插入智能手机型HMD系统的较低图像质量所抵消。
已有的其它尝试中，使用具有重叠图像、可修改所需的放大倍率的多个小透镜来降低HMD形状。例如，申请人拥有的申请GB1621621.0，提交于2016年12月19日，描述了具有两个显示器和一个折叠的W形镜面的结构作为替代的图像折叠系统。在这种情况下，视场由最大孔径和路径长度限定。尽管与传统结构相比，这种系统在使用期间降低了整体形状，但在初始设计中的形状是固定的，因此在不使用期间，例如储存和运输时，形状的减小仍然受到光学使用要求的限制。
发明内容
因此，本领域需要一种增强型HMD系统，其结构紧凑、佩戴舒适，且不会牺牲最佳VR和AR应用所需的图像质量，并进一步地易于携带和储存。本发明提供了重量轻且观看舒适的HMD系统，其具有高图像质量和宽视场。另外，所公开的HMD系统的实施例实现了紧凑型可折叠HMD系统。公开的HMD结构允许光学部件，而不是简单地框架或壳体组件，能够折叠以解决现有的便携性受限的问题。以这种方式，在非智能手机配置中实现了高图像质量，并且具有与插入式智能手机系统相当的形状减小。
关于整体形状，本发明的HMD系统在采用折叠光学装置的同时提高了系统的紧凑性。HMD系统的设置采用了在目镜的眼睛侧(或观看侧)且靠近头部的图像面板，与在图像侧(或非观看侧)的图像面板相结合的方式。这种设置的优点在于，HMD系统从面部凸出的距离小于先前的设计，因此可以显著减轻重量，更接近面部从而在佩戴时减少疲劳产生。该设计还意味着近光学器件可用于提供大视场，并且为用户鼻子提供空间以更舒适的佩戴。
在示例性实施例中，HMD系统包括三个相同尺寸的图像面板。第一图像面板和第二图像面板以非共享的方式分别向左眼和右眼呈现图像。HMD系统还包括位于相对于第一和第二图像面板居中设置的中央图像面板，中央图像面板呈现的图像由左眼和右眼之间共享。利用这种结构，左眼和右眼中的每一个能够看到两个图像面板，其中一个图像面板的整体(非共享的第一和第二图像面板)和另一个图像面板(共享的中央图像面板)的一半。进一步地，利用这种结构，来自各种图像面板的图像被组合，使得图像最佳地填充典型人类视野。
所描述的结构的优点在于，尽可能减少图像面板上存在的不可见区域，从而最小化HMD系统的形状。此外，通过这种结构，光学装置为用户鼻子提供了充足的空间，重量集中在靠近用户头部的位置，因而头部和颈部上的扭矩减小，并且用皮带佩戴系统的传统需求变得不必要。增强的HMD系统紧凑且佩戴舒适，不会牺牲最佳VR和AR应用所需的图像质量。
另外，光学装置本身形成铰链结构的一部分，HMD系统在不使用时可沿着该铰链结构折叠。铰链结构能够与包括多个图像面板和/或分段光学部件的任何HMD结构组合。这种铰链结构的优点在于用户可以折叠HMD系统以便于储存和运输，同时在使用期间保持高水平的图像质量。
在示例性实施例中，对于HMD系统的每个目镜，透镜组件包括构成每个目镜的分段光学部件以及铰链元件，分段光学部件可围绕铰链元件折叠。不属于分段光学部件的铰链元件定位至当使用HMD系统观看目镜时不妨碍用户的视线。这种透镜组件结构分别应用至左眼和右眼。
当HMD系统处于使用方向时，从用户到HMD系统的方向定义为z轴并根据右手规则定义x轴和y轴。如此限定方向轴的情况下，在示例性实施例中，每个目镜的可折叠分段光学部件的旋转轴可以是y轴。在替代的示例性实施例中，每个目镜的可折叠分段光学部件的旋转轴可以是z轴。具有不同光学装置和多个图像面板的分离光学路径允许HMD系统的光学装置的不同分段光学部件相对于彼此转动，从而使光学装置方便地分离和重组。该原理可应用于具有分段光学部件的目镜和/或多个图像面板的任何HMD系统中。以这种方式，本公开的HMD系统是高度便携的，以便于储存和运输，同时在使用期间保持高水平的图像质量。
在示例性实施例中，一种HMD系统，包括光学装置、第一图像面板及第二图像面板。光学装置包括的第一部分沿第一光学路径引导来自第一图像面板的图像光；光学装置包括的第二部分沿不同于第一光学路径的第二光学路径引导来自第二图像面板的图像光。光学装置维持第一光学路径和第二光学路径并能够在第一位置和第二位置之间重新配置，且HMD系统在光学装置处于第二位置时的形状与处于第一位置时不同。
在示例性实施例中，光学装置包括至少一个分段光学部件，分段光学部件的各段能够相对于彼此运动，以在第一位置和第二位置之间重新配置光学装置。至少一个分段光学部件包括第一透镜组件，第一透镜组件包括通过第一铰链结构连接的多个透镜段，并且第一透镜组件的多个透镜段能够绕第一铰链结构相对于彼此转动。至少一个分段光学部件还包括第二透镜组件，第二透镜组件包括通过第二铰链结构连接的多个透镜段，并且第二透镜组件的多个透镜段能够绕第二铰链结构相对于彼此转动。
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，这些实施例仅表示可以采用本发明原理的各种方式中的一些。当结合附图考虑时，从以下对本发明的详细描述中，本发明的其他目的、优点和新颖特征将变得显而易见。
附图说明
[图1]
图1描绘了本发明的实施例中的一种HMD系统的俯视图，其中HMD系统处于展开状态。
[图2]
图2描绘了图1所示的HMD系统的俯视图，其中HMD系统处于折叠状态。
[图3]
图3描绘了本发明的实施例中的另一种HMD系统的俯视图，其中HMD系统处于展开状态。
[图4]
图4描绘了图3所示的HMD系统的俯视图，其中HMD系统处于折叠状态。
[图5]
图5描绘了图3所示的HMD系统的立体示意图，其中HMD系统处于展开状态。
[图6]
图6描绘了图3所示的HMD系统的立体示意图，其中HMD系统处于折叠状态。
[图7]
图7描绘了本发明的实施例中的一种具有离边旋转轴的HMD系统的透镜组件的俯视图，其中透镜组件处于展开状态。
[图8]
图8描绘了图7所示的透镜组件的俯视图，其中透镜组件处于部分折叠状态。
[图9]
图9描绘了本发明的实施例中的一种具有离边旋转轴的HMD系统的透镜组件的俯视图，其中透镜组件处于展开状态且是相对于图7和图8的另一个目镜。
[图10]
图10描绘了图9所示的透镜组件的俯视图，其中透镜组件处于部分折叠状态。
附图标记说明
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行描述，其中，相同的附图标记用于表示相同的元件。应该理解，附图不必要按比例绘制。
图1描绘了本发明的实施例中的一种HMD系统10的俯视图，其中HMD系统10处于展开状态。在示例性实施例中，HMD系统10包括三个图像面板，它们可以具有相同的尺寸。参照该图，一个第一图像面板12和一个第二图像面板14以非共享的方式分别向一用户的右眼16和左眼18呈现图像。HMD系统10还包括一中央图像面板20(也即第三个或共享的图像面板)，其相对于第一和第二图像面板居中设置，中央图像面板20呈现的图像由左眼和右眼共享。在该主要实施例中，左眼和右眼中的每一个能够看到两个图像面板，其中一个图像面板的整体(非共享的第一和第二图像面板)和另一个图像面板(共享的中央图像面板)的一半。采用这种结构，来自各种图像面板的图像组合起来，使得图像能够最佳地填充典型人类视野。图像面板可以用合适的电子器件以电子方式控制，该电子器件以本领域已知的任何方式结合到HMD系统中，以便从每个图像面板射出对应于期望图像的图像光。为了简化说明，图中省略了用于控制的电子器件。
在HMD系统10的结构中，非共享的第一图像面板12和第二图像面板14位于HMD系统的观看侧或眼睛侧，且靠近头部。中央图像面板20位于HMD系统的非观看侧或成像侧。这种设置的优点在于：HMD系统从面部凸出的距离小于先前的设计，因此能够有效减轻重量。与传统结构相比，整个HMD系统的位置更靠近面部，因而相对于头部产生的扭矩更小，进而降低穿戴时疲劳。该设计还意味着近光学器件可用于提供大视场，并且为用户鼻子提供空间以更舒适的佩戴。
在示例性实施例中，用于引导来自图像面板的图像光的光学装置包括多个镜面部件和多个透镜部件，其中，多个镜面部件用于将第一、第二及中央图像面板的图像光沿各自相应的光学路径引导至多个透镜部件。参考图1，光学装置可以如下配置：与非共享的第一图像面板12相关联的第一镜面部件22将来自第一图像面板12的图像光沿第一光学路径引导至第一透镜部件24，并最终引导至右眼16。为了最小化HMD系统的尺寸或占地面积，第一镜面部件22可以设置成折叠或楔形布置的多个镜面分段，从而在保持最小尺寸的同时增加光的光路。利用这种设置，从第一图像面板12射出的光由第一镜面部件22的多个镜面分段的引导，仅通过第一透镜部件24，因而仅到达一只眼睛(右眼)。因此，第一图像面板12被称为非共享的图像面板，因为来自第一图像面板12的图像光仅沿第一光学路径被引导至单个眼睛，此处为右眼。
类似地，HMD系统还包括与第二图像面板14相关联的第二镜面部件26，以将来自第二图像面板14的图像光沿不同于第一光学路径的第二光学路径引导至第二透镜部件28，并最终引导至左眼18。同样地，为了最小化HMD系统的尺寸或占地面积，第二镜面部件也可以设置成折叠或楔形布置的多个镜面分段，从而在保持最小尺寸的同时增加光的光路。利用这种设置，从第二图像面板14射出的光由第二镜面部件26的多个镜面分段的引导，仅通过第二透镜部件28，因而仅到达一只眼睛(左眼)。因此，第二图像面板14也被称为非共享的图像面板，来自第二图像面板14的图像光仅沿第二光学路径被引导至单个眼睛，此处为左眼。
HMD系统10还包括与中央图像面板20相关联的第三镜面部件30，其用于通过如下方式引导来自中央图像面板20的图相光：中央图像面板分为第一面板部分32和第二面板部分34，从而通过不同的光学路径，使来自第一面板部分32的图像光被引导至其中一只眼睛(例如右眼16)，来自第二面板部分34的图像光被引导至另外一只眼睛(例如左眼18)。相应地，第三镜面部件30包括用于引导来自第一面板部分32的图像光的第一镜面部分36，以及用于引导来自第二面板部分34的图像光的第二镜面部分38。
第三镜面部件30也被设置为多个镜面分段，用于：(1)适当地引导来自如上的中央图像面板的图像光，以及(2)提供紧凑且易于佩戴的结构。对于特定的镜面分段，第一镜面部分36包括在佩戴时邻近用户鼻子44的第一鼻子分段，以及与第一鼻子分段相对的第一外部分段。相似地，第二镜面部分38包括在佩戴时邻近用户鼻子44的第二鼻子分段，以及与第二鼻子分段相对的第二外部分段。第一鼻子分段和第二鼻子分段设置成在佩戴HMD系统时容纳用户鼻子44，并与第一外部分段和第二外部分段紧凑布置来控制图像光的引导。如图1所示，第一和第二鼻子分段相邻接形成楔形以最小化尺寸，并且第一和第二外部分段各自与相应的鼻子分段间隔且平行设置。
第三镜面部件30的第一镜面部分36将来自中央图像面板20的第一面板部分32的光引导至第三透镜部件46。第三镜面部件30的第二镜面部分38将来自中央图像面板20的第二面板部分34的光引导至第四透镜部件48。第三和第四透镜部件分别将光引导至右眼和左眼。此外，如图1的实施例所示，第三透镜部件46可以与第一透镜部件24邻接，并且第四透镜部件48可以与第二透镜部件28邻接。中央图像面板20被称为共享的图像面板，其中一部分图像光从中央图像面板20被引导至右眼，还有一部分图像光从中央图像面板20被引导至左眼。
在上述的结构配置中，光学装置的组成部件形成铰链结构的一部分，HMD系统在不使用时可以沿该铰链结构折叠起来。铰链结构可以与包括多个图像面板和/或分段透镜组件的任何HMD结构组合。这种铰链结构的优点在于用户可以折叠HMD系统以便于储存和运输，同时在使用期间保持较高水平的图像质量。在示例性实施例中，HMD系统包括光学装置、第一图像面板及第二图像面板，光学装置包括的第一部分沿第一光学路径引导来自第一图像面板的图像光，光学装置包括的第二部分沿不同于第一光学路径的第二光学路径引导来自第二图像面板的图像光。光学装置维持第一光学路径和第二光学路径并能够在第一位置和第二位置之间重新配置，且HMD系统在光学装置处于第二位置时的形状与处于第一位置时不同。
光学装置包括至少一个分段光学部件，分段光学部件的各段能够相对于彼此移动，以在第一位置和第二位置之间重新配置光学装置，例如通过围绕铰链结构转动。至少一个分段光学部件包括第一透镜组件，第一透镜组件包括通过第一铰链结构连接的多个透镜段，并且第一透镜组件的多个透镜段能够绕第一铰链结构相对于彼此转动。至少一个分段光学部件还包括第二透镜组件，第二透镜组件包括通过第二铰链结构连接的多个透镜段，并且第二透镜组件的多个透镜段能够绕第二铰链结构相对于彼此转动。
参照图1，对于HMD系统10的每个目镜，在光学装置中，透镜组件包括构成每个目镜的分段光学部件以及具有铰链元件的铰链结构，分段光学部件可围绕铰链结构折叠。不属于分段光学部件一部分的铰链元件定位至当使用HMD系统观看目镜时不妨碍用户的视线。分别为左眼和右眼的目镜提供这种透镜组件。因此，作为一个目镜结构(例如对于右眼16)，HMD系统10包括第一透镜组件50，第一透镜组件50包括作为一个透镜段的第一透镜部件24和作为另一个透镜段的第三透镜部件46，第一透镜部件24和第三透镜部件46可通过第一铰链元件52相对于彼此转动。类似地，作为另一个目镜结构(例如对于左眼18)，HMD系统10包括第二透镜组件54，第二透镜组件包括作为一个透镜段的第二透镜部件28和作为另一个透镜段的第四透镜部件48，第二透镜部件28和第四透镜部件48可通过第二铰链元件56相对于彼此转动。
当HMD系统10处于使用方向时，从用户到HMD系统的方向定义为z轴并根据右手规则定义x轴和y轴。在图1中，z轴和x轴已被指定，y轴垂直于页面。第一和第二透镜组件中的每个透镜段的旋转轴大致是y轴。图1显示的HMD系统10中的第一和第二透镜组件处于对应于展开状态的第一位置。第一和第二透镜组件可从第一位置折叠至对应于折叠状态的第二位置。
图2描绘了图1所示的HMD系统的俯视图，其中HMD系统处于折叠状态。对比图2和图1，第一和第二透镜组件从第一位置折叠至对应于折叠状态的第二位置。观察第一透镜组件50的细节部分，第一透镜部件24相对于第三透镜部件46绕第一铰链元件52转动，如图2中的左箭头所示。观察第二透镜组件54的细节部分，第二透镜部件28相对于第四透镜部件48绕第二铰链元件56转动，如图2中的右箭头所示。如图1和图2所示的特定实施例中，这种转动是围绕y轴(垂直于页面)，也即图2中的指示箭头所示。
具有不同光学装置和多个图像面板的分离光学路径允许HMD系统的光学装置的不同分段光学部件相对于彼此转动，从而使光学装置被方便地分离和重组。在图1和图2中，光学装置的第一部分包括第一镜面部件22和第一透镜部件24(作为一个透镜段)，沿第一光学路径引导来自第一图像面板12的图像光。类似地，光学装置的第二部分包括第二镜面部件26和第二透镜部件28(作为一个透镜段)，沿不同于第一光学路径的第二光学路径引导来自第二图像面板14的图像光。当光学装置在第一位置(展开状态)和第二位置(折叠状态)之间移动时，可以保持第一和第二光学路径，因为光学装置的第一和第二部分的相对位置没有发生改变。然而，通过第三透镜部件46和第四透镜部件48折叠第一和第二部分，整个HMD系统的形状发生改变以变得更紧凑。
该原理可应用于在具有分段光学部件的目镜和/或多个图像面板的任何HMD系统中。以这种方式，本公开的HMD系统是高度便携的，以便于储存和运输，同时在使用期间保持高水平的图像质量。特别地，光学装置的分段光学部件是可折叠的，而不是仅具有可折叠的壳体元件。通过光学装置的部件折叠，得到了更紧凑的形状。此外，光学组件不需要为了储存和运输而移除，比如插入智能手机结构中那样，因此保持高质量的成像部件以供使用。
在替代的实施例中，每个目镜的光学装置的组成部件的旋转轴大致为z轴。图3描绘了本发明的实施例中的另一种HMD系统60的俯视图，其中HMD系统60处于展开状态。图4描绘了图3所示的HMD系统60的俯视图，其中HMD系统60处于折叠状态。对于围绕z轴转动的实施例，提供立体示意图以帮助说明按转动方向折叠的折叠状态，因此，图5描绘了图3所示的HMD系统60的立体示意图，其中HMD系统60处于展开状态；图6描绘了图3所示的HMD系统60的立体示意图，其中HMD系统60处于折叠状态。图像面板、镜面部件及透镜部件的设置与图1和图2所示的实施例相同。因此，图3至图6省略了这些相同部件的附图标记，并且同样在后续的附图中省略，以便更清楚地识别各个实施例的附加特征。通常，在图3至图6的结构中，铰链元件可操作以允许透镜段围绕z轴转动。
与前一实施例类似，当HMD系统60处于使用方向时，从用户到HMD系统的方向定义为z轴并根据右手规则定义x轴和y轴。图3和图5显示了HMD系统60在第一透镜组件50和第二透镜组件54处于对应于展开状态的第一位置。如图4和图6所描绘的，第一透镜组件50和第二透镜组件54可从第一位置折叠至对应于折叠状态的第二位置。比较图3-5与图4-6，第一和第二透镜组件已经从第一位置折叠至对应于折叠状态的第二位置。观察第一透镜部件50的细节部分，如图中的箭头所示，第一透镜部件24(作为一个透镜段)相对于第三透镜部件46(作为一个透镜段)围绕第一铰链元件52a转动。观察第二透镜部件54的细节部分，如图中的箭头所示，第二透镜部件28(作为一个透镜段)相对于第四透镜部件48(作为一个透镜段)围绕第二铰链元件56a转动。与前一实施例进行对比，图3-6的实施例中，铰链元件的设置用于使透镜段围绕z轴相对转动。在图6的立体图中，一旦折叠，共享的中央图像面板20相对于折叠部件存在于内部(因此在该视图中不可见)，并且整体形状被最小化。
在其它示例性实施例中，每个目镜的铰链结构的旋转轴是离边的，即旋转轴不是沿着透镜组件的任一透镜段的邻接面设置。利用这种设置，当HMD系统完全展开时，透镜段的相邻面仅接触。这种设置的优点在于：在折叠和展开操作过程中，透镜段上的机械磨损最小化。作为具有离边旋转轴的实施例的说明，图7描绘了本发明的实施例中的一种具有离边旋转轴的HMD系统的透镜组件的俯视图，其中透镜组件处于展开状态。图8描绘了图7所示的透镜组件的俯视图，其中透镜组件处于部分折叠状态。图7和图8描绘的透镜组件可用在同一目镜中，特别是用于如图所示的右眼。可以在另一个目镜(例如左眼)中采用类似的透镜组件结构。
图7展示了处于对应于展开状态的第一位置的透镜组件70。透镜组件70可从第一位置折叠至对应于折叠状态的第二位置，并且部分折叠状态如图8所示。对比图7和图8，透镜组件70从第一位置部分地折叠至对应于部分折叠状态的第二位置。观察透镜组件70的细节部分，第一透镜部件24(作为一个透镜段)相对于第三透镜部件46(作为一个透镜段)相对于铰链结构72转动。在该实施例中，铰链结构72包括铰链元件74，铰链元件74由铰链支撑件76支撑。铰链支撑件76使铰链元件74与透镜段间隔设置，以提供相对于透镜组件的离边旋转轴。
当第一透镜部件24(作为一个透镜段)相对于第三透镜部件46(作为一个透镜段)从第一位置朝向第二位置转动时，透镜段彼此脱离接触，减少了折叠和展开操作中透镜段的磨损。当透镜组件70到达折叠状态时，由铰链元件72连接的铰链支撑件72的部分可以朝向彼此折叠以实现结构紧凑。对于离边旋转轴，围绕y轴转动与图1-2的实施例中的相似。
如图7和图8的实施例所示，至少一个透镜段具有锥形边缘，以在展开状态下使用时，最小化透镜段的连接边界处产生的散射光的可见性。在所描绘的实施例中，第三透镜部件46(作为一个透镜段)具有锥形边缘78，可替代地，锥形边缘还可以设置在第一透镜部件24(作为一个透镜段)上。当HMD系统处于使用方向完全展开时，相对于眼睛的矢量80(参见图7中的虚线箭头)从连接边界指向相关眼睛(例如右眼)位于相邻边界平面内。利用这种配置，如之前，在两个透镜部件的连接边界处散射的光的可见性被最小化。
图9描绘了本发明的实施例中的一种具有离边旋转轴的HMD系统的透镜组件70a的俯视图，其中透镜组件处于展开状态且是相对于图7和图8的另一个目镜。图10描绘了图9所示的透镜组件70a的俯视图，其中透镜组件处于部分折叠状态。类似地，对于另一个目镜，透镜组件70a可从第一位置折叠至对应于折叠状态的第二位置，并且部分折叠状态如图10所示。比较图9和图10，透镜组件70a已从第一位置部分折叠至对应于部分折叠状态的第二位置。观察透镜组件70a的细节部分，第二透镜部件28(作为一个透镜段)通过铰链结构72a相对于第四透镜部件48(作为一个透镜段)转动。铰链结构72a包括铰链元件74a，铰链元件74a由铰链支撑件76a支撑。铰链支撑件76a使铰链元件74a与透镜段间隔设置，以提供相对于透镜部件的离边旋转轴。
当第二透镜部件28(作为一个透镜段)相对于第四透镜部件48(作为一个透镜段)从第一位置朝向第二位置转动时，透镜段彼此脱离接触，减少了折叠和展开操作中透镜段的磨损。当透镜组件70a到达折叠状态时，由铰链元件72a连接的铰链支撑件72a的部分可以朝向彼此折叠以实现结构紧凑。对于离边旋转轴，围绕y轴转动与图1-2的实施例中的相似。
如图9和图10的实施例所示，至少一个透镜段具有锥形边缘，以在展开状态下使用时，最小化透镜段的连接边界处产生的散射光的可见性。在所描绘的实施例中，第四透镜部件48(作为一个透镜段)具有锥形边缘78a，可替代地，锥形边缘还可以设置在第二透镜部件28(作为一个透镜段)上。当HMD系统处于使用方向完全展开时，相对于眼睛的矢量80a(参见图9中的虚线箭头)从连接边界指向相关眼睛(例如左眼18)位于相邻边界平面内。利用这种配置，如之前，在两个透镜部件的连接边界处散射的光的可见性被最小化。
本发明的一个方面是一种HMD系统，其可以重新配置成紧凑的结构以便于运输和储存。在示例性实施例中，HMD系统包括：光学装置、第一图像面板及第二图像面板，光学装置包括的第一部分沿第一光学路径引导来自第一图像面板的图像光，光学装置包括的第二部分沿不同于第一光学路径的第二光学路径引导来自第二图像面板的图像光；其中，光学装置维持第一光学路径和第二光学路径并能够在第一位置和第二位置之间重新配置，且HMD系统在光学装置处于第二位置时的形状与处于第一位置时不同。
在HMD系统的一个示例性实施例中，光学装置包括至少一个分段光学部件，分段光学部件的各段能够相对于彼此运动，以在第一位置和第二位置之间重新配置光学装置。
在HMD系统的一个示例性实施例中，至少一个分段光学部件包括第一透镜组件，第一透镜组件包括通过第一铰链结构连接的多个透镜段，并且第一透镜组件的多个透镜段能够绕第一铰链结构相对于彼此转动；至少一个分段光学部件还包括第二透镜组件，第二透镜组件包括通过第二铰链结构连接的多个透镜段，并且第二透镜组件的多个透镜段能够绕第二铰链结构相对于彼此转动。
在HMD系统的一个示例性实施例中，第一透镜组件的一个透镜段是光学装置的第一部分的部件，第二透镜组件的一个透镜段是光学装置的第二部分的部件。
在HMD系统的一个示例性实施例中，当HMD系统处于使用方向时，从用户到HMD系统的方向定义为z轴并根据右手规则定义x轴和y轴；透镜段围绕第一铰链结构和第二铰链结构围绕y轴转动。
在HMD系统的一个示例性实施例中，当HMD系统处于使用方向时，从用户到HMD系统的方向定义为z轴并根据右手规则定义x轴和y轴；透镜段围绕第一铰链结构和第二铰链结构围绕z轴转动。
在HMD系统的一个示例性实施例中，围绕第一铰链结构和第二铰链结构的旋转轴相对于透镜段离边设置。
在HMD系统的一个示例性实施例中，第一铰链结构和第二铰链结构中的每一个包括用于支撑铰链元件的铰链支撑件，铰链元件相对于透镜段离边设置。
在HMD系统的一个示例性实施例中，每一个第一铰链结构和第二铰链结构中的一个透镜段具有锥形边缘。
在HMD系统的一个示例性实施例中，HMD系统还包括位于第一图像面板与第二图像面板之间的中央图像面板，中央图像面板包括第一面板部分和第二面板部分；其中，光学装置沿不同的光学路径引导来自中央图像面板的第一面板部分和第二面板部分的光；及光学装置将来自第一图像面板和中央图像面板的第一面板部分的光以组合方式沿第一眼睛方向从HMD系统射出，并将来自第二图像面板和中央图像面板的第二面板部分的光以组合方式沿不同于第一眼睛方向的第二眼睛方向从HMD系统射出。
在HMD系统的一个示例性实施例中，第一图像面板和第二图像面板位于HMD系统的观看侧，并且中央图像面板位于HMD系统的非观看侧。
在HMD系统的一个示例性实施例中，中央图像面板的第一面板部分与中央图像面板的第二面板部分的尺寸相等。
在HMD系统的一个示例性实施例中，光学装置包括多个镜面部件及多个透镜部件，其中多个镜面部件用于将第一图像面板、第二图像面板及中央图像面板的图像光沿各自相应的光学路径引导至多个透镜部件。
在HMD系统的一个示例性实施例中，光学装置的第一部分包括第一镜面部件以将来自第一图像面板的图像光引导至第一透镜部件；光学装置的第二部分包括第二镜面部件以将来自第二图像面板的图像光引导至第二透镜部件；光学装置还包括第三镜面部件，第三镜面部件包括用于将来自中央图像面板的第一面板部分的图像光引导至第三透镜部件的第一镜面部分，以及用于将来自中央图像面板的第二面板部分的图像光引导至第四透镜部件的第二镜面部分。
在HMD系统的一个示例性实施例中，第一镜面部件与第二镜面部件分别包括多个呈折叠设置的镜面分段。
在HMD系统的一个示例性实施例中，第三镜面部件包括第一鼻子分段和第二鼻子分段以邻接形成楔形，并且包括第一外部分段和第二外部分段各自与相应的鼻子分段间隔且平行设置。
在HMD系统的一个示例性实施例中，HMD系统还包括位于第一图像面板与第二图像面板之间的中央图像面板，中央图像面板包括第一面板部分和第二面板部分；其中，光学装置沿不同的光学路径引导来自中央图像面板的第一面板部分和第二面板部分的光；及光学装置将来自第一图像面板和中央图像面板的第一面板部分的光以组合方式沿第一眼睛方向从HMD系统射出，并将来自第二图像面板和中央图像面板的第二面板部分的光以组合方式沿不同于第一眼睛方向的第二眼睛方向从HMD系统射出。
在HMD系统的一个示例性实施例中，光学装置的第一部分包括第一镜面部件以将来自第一图像面板的图像光引导至第一透镜部件；光学装置的第二部分包括第二镜面部件以将来自第二图像面板的图像光引导至第二透镜部件；光学装置还包括第三镜面部件，第三镜面部件包括用于将来自中央图像面板的第一面板部分的图像光引导至第三透镜部件的第一镜面部分，以及用于将来自中央图像面板的第二面板部分的图像光引导至第四透镜部件的第二镜面部分。
在HMD系统的一个示例性实施例中，第一透镜部件是第一透镜组件的一个透镜段；第二透镜部件是第二透镜组件的一个透镜段；第三透镜部件是第一透镜组件的另一个透镜段，并且第一透镜部件和第三透镜部件围绕第一铰链结构相对于彼此转动；第四透镜部件是第二透镜组件的另一个透镜段，并且第二透镜部件和第四透镜部件围绕第二铰链结构相对于彼此转动。
在HMD系统的一个示例性实施例中，第一图像面板和第二图像面板位于HMD系统的观看侧，并且中央图像面板位于HMD系统的非观看侧。
尽管已经针对一些实施例描述了本发明，显然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)执行的各种功能，用于描述这些元件的术语(包括对“方法”的引用)旨在对应，除非另有说明，对于执行所述元件的指定功能的任何元件(即，功能上等同的)，即使在结构上不等同于在本发明的示例性实施例或实施例中执行该功能的所公开的结构。另外，虽然上面仅针对若干实施例中的一个或多个描述了本发明的特定特征，这样的特征可以与其他实施例的一个或多个其他特征组合，其对于任何给定或特定应用可能是被期望的和有利的。
工业适用性
本发明涉及可穿戴显示器，特别是用于实现小且轻的HMD系统。使用本发明制造的硬件可用于消费市场和专业市场的虚拟现实(VR)和增强显示(AR)领域。根据本发明制造的HMD系统可应用于游戏、娱乐、任务支持、医疗、工业设计、导航、运输、翻译、教育和培训。

Claims (20)

1.一种头戴显示(HMD)系统，其特征在于：包括：
光学装置；
第一图像面板，其中所述光学装置包括的第一部分沿第一光学路径引导来自所述第一图像面板的图像光；及
第二图像面板，其中所述光学装置包括的第二部分沿不同于所述第一光学路径的第二光学路径引导来自所述第二图像面板的图像光；
其中，所述光学装置维持所述第一光学路径和所述第二光学路径并能够在第一位置和第二位置之间重新配置，且所述HMD系统在所述光学装置处于所述第二位置时的形状与处于所述第一位置时不同。
2.如权利要求1所述的HMD系统，其特征在于：所述光学装置包括至少一个分段光学部件，所述分段光学部件的各段能够相对于彼此运动，以在所述第一位置和所述第二位置之间重新配置所述光学装置。
3.如权利要求2所述的HMD系统，其特征在于：
至少一个所述分段光学部件包括第一透镜组件，所述第一透镜组件包括通过第一铰链结构连接的多个透镜段，并且所述第一透镜组件的多个透镜段能够绕所述第一铰链结构相对于彼此转动；
至少一个所述分段光学部件还包括第二透镜组件，所述第二透镜组件包括通过第二铰链结构连接的多个透镜段，并且所述第二透镜组件的多个透镜段能够绕所述第二铰链结构相对于彼此转动。
4.如权利要求3所述的HMD系统，其特征在于：所述第一透镜组件的一个透镜段是所述光学装置的所述第一部分的部件，所述第二透镜组件的一个透镜段是所述光学装置的所述第二部分的部件。
5.如权利要求3-4中任意一项所述的HMD系统，其特征在于：当所述HMD系统处于使用方向时，从用户到所述HMD系统的方向定义为z轴并根据右手规则定义x轴和y轴；
所述透镜段围绕所述第一铰链结构和所述第二铰链结构围绕y轴转动。
6.如权利要求3-4中任意一项所述的HMD系统，其特征在于：当所述HMD系统处于使用方向时，从用户到所述HMD系统的方向定义为z轴并根据右手规则定义x轴和y轴；
所述透镜段围绕所述第一铰链结构和所述第二铰链结构围绕z轴转动。
7.如权利要求3-5中任意一项所述的HMD系统，其特征在于：围绕所述第一铰链结构和所述第二铰链结构的旋转轴相对于所述透镜段离边设置。
8.如权利要求7所述的HMD系统，其特征在于：所述第一铰链结构和所述第二铰链结构中的每一个包括用于支撑铰链元件的铰链支撑件，所述铰链元件相对于所述透镜段离边设置。
9.如权利要求7-8中任意一项所述的HMD系统，其特征在于：每一个所述第一铰链结构和所述第二铰链结构中的一个透镜段具有锥形边缘。
10.如权利要求1-9中任意一项所述的HMD系统，其特征在于：所述HMD系统还包括位于所述第一图像面板与所述第二图像面板之间的中央图像面板，所述中央图像面板包括第一面板部分和第二面板部分；
其中，所述光学装置沿不同的光学路径引导来自所述中央图像面板的所述第一面板部分和所述第二面板部分的光；及
所述光学装置将来自所述第一图像面板和所述中央图像面板的所述第一面板部分的光以组合方式沿第一眼睛方向从所述HMD系统射出，并将来自所述第二图像面板和所述中央图像面板的所述第二面板部分的光以组合方式沿不同于所述第一眼睛方向的第二眼睛方向从所述HMD系统射出。
11.如权利要求10所述的HMD系统，其特征在于：所述第一图像面板和所述第二图像面板位于所述HMD系统的观看侧，并且所述中央图像面板位于所述HMD系统的非观看侧。
12.如权利要求10-11中任意一项所述的HMD系统，其特征在于：所述中央图像面板的所述第一面板部分与所述中央图像面板的所述第二面板部分的尺寸相等。
13.如权利要求10-12中任意一项所述的HMD系统，其特征在于：所述光学装置包括多个镜面部件及多个透镜部件，其中多个所述镜面部件用于将所述第一图像面板、所述第二图像面板及所述中央图像面板的图像光沿各自相应的光学路径引导至多个所述透镜部件。
14.如权利要求13所述的HMD系统，其特征在于：
所述光学装置的所述第一部分包括第一镜面部件以将来自所述第一图像面板的图像光引导至第一透镜部件；
所述光学装置的所述第二部分包括第二镜面部件以将来自所述第二图像面板的图像光引导至第二透镜部件；
所述光学装置还包括第三镜面部件，所述第三镜面部件包括用于将来自所述中央图像面板的所述第一面板部分的图像光引导至第三透镜部件的第一镜面部分，以及用于将来自所述中央图像面板的所述第二面板部分的图像光引导至第四透镜部件的第二镜面部分。
15.如权利要求14所述的HMD系统，其特征在于：所述第一镜面部件与所述第二镜面部件分别包括多个呈折叠设置的镜面分段。
16.如权利要求14-15中任意一项所述的HMD系统，其特征在于：所述第三镜面部件包括第一鼻子分段和第二鼻子分段以邻接形成楔形，并且包括第一外部分段和第二外部分段各自与相应的鼻子分段间隔且平行设置。
17.如权利要求3-9中任意一项所述的HMD系统，其特征在于：所述HMD系统还包括位于所述第一图像面板与所述第二图像面板之间的中央图像面板，所述中央图像面板包括第一面板部分和第二面板部分；
其中，所述光学装置沿不同的光学路径引导来自所述中央图像面板的所述第一面板部分和所述第二面板部分的光；及
所述光学装置将来自所述第一图像面板和所述中央图像面板的所述第一面板部分的光以组合方式沿第一眼睛方向从所述HMD系统射出，并将来自所述第二图像面板和所述中央图像面板的所述第二面板部分的光以组合方式沿不同于所述第一眼睛方向的第二眼睛方向从所述HMD系统射出。
18.如权利要求17所述的HMD系统，其特征在于：
所述光学装置的所述第一部分包括第一镜面部件以将来自所述第一图像面板的图像光引导至第一透镜部件；
所述光学装置的所述第二部分包括第二镜面部件以将来自所述第二图像面板的图像光引导至第二透镜部件；
所述光学装置还包括第三镜面部件，所述第三镜面部件包括用于将来自所述中央图像面板的所述第一面板部分的图像光引导至第三透镜部件的第一镜面部分，以及用于将来自所述中央图像面板的所述第二面板部分的图像光引导至第四透镜部件的第二镜面部分。
19.如权利要求18所述的HMD系统，其特征在于：
所述第一透镜部件是所述第一透镜组件的一个透镜段；
所述第二透镜部件是所述第二透镜组件的一个透镜段；
所述第三透镜部件是所述第一透镜组件的另一个透镜段，并且所述第一透镜部件和所述第三透镜部件围绕所述第一铰链结构相对于彼此转动；
所述第四透镜部件是所述第二透镜组件的另一个透镜段，并且所述第二透镜部件和所述第四透镜部件围绕所述第二铰链结构相对于彼此转动。
20.如权利要求17-19中任意一项所述的HMD系统，其特征在于：所述第一图像面板和所述第二图像面板位于所述HMD系统的观看侧，并且所述中央图像面板位于所述HMD系统的非观看侧。
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