CN110275299A - 紧凑型头戴显示系统 - Google Patents

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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，光学装置沿第一光学路径引导来自第一图像面板的图像光；第二图像面板，光学装置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；及中央图像面板，其位于第一图像面板和第二图像面板之间，且中央图像面板包括第一面板部分和第二面板部分。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。光学装置用于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，并且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。

Description

紧凑型头戴显示系统
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。
已经使用许多已知的方法来尝试实现基于图像面板的轻质HMD，而不需要庞大的目镜透镜。“光场显示”(也称为积分成像)提供了最薄的HMD系统之一，但是与其他基于放大镜的HMD一样，光场显示受到了基本限制，显示器的分辨率因较小的硬件外形而大大折衷。
一种用于减小HMD系统的尺寸和重量的已知方法包括使用偏振反射方法来减小尺寸，然而，这种配置需忍受重影图像形成的影响。另一种方法使用具有重叠图像的多个小透镜，以修改所需的放大率，然而，这种布置具有较低的表观分辨率并且可能忍受图像重叠的可见性的影响。申请人共同拥有的申请GB 1621621.0，提交于2016年12月19日，描述了一种替代的重叠法，采用两个显示器和折叠的W形镜子的布置方式，在这种情况下，视场由最大孔径和路径长度限定。
发明内容
因此，本领域需要一种紧凑且佩戴舒适的增强型HMD系统，且不会牺牲最佳的VR和AR应用所需的图像质量。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。本发明中描述的HMD系统的结构通过使用来自多个图像面板的分段图像折叠HMD系统的光路来解决现有HMD系统的问题，从而增加自图像面板到眼睛的光学距离而不损害HMD系统的厚度。
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。
因此，本发明的一个方面是一种头戴显示(HMD)系统，其包括两个非共享的图像面板和一个共享的图像面板，其中，图像面板定位成能够出射最佳填充典型人类视野的图像光。在示例性实施例中，HMD系统包括光学装置、第一图像面板、第二图像面板及中央图像面板，光学装置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。中央图像面板位于第一图像面板和第二图像面板之间，中央图像面板包括第一面板部分和第二面板部分。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。光学装置还用于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，并且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第二眼睛方向从HMD系统射出。
在示例性实施例中，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。光学装置可以包括附加元件，例如偏振器、四分之一波片、光引导部件及/或内部折射材料，以确保HMD系统仅沿着特定的期望光学路径发射光，从而减少重影成像，并且提高图像质量。
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。
[图2]
图2描绘了图1所示的HMD系统的立体示意图。
[图3]
图3描绘了与典型人类视野相关的非共享和共享的图像面板，其中图像面板的尺寸与图2中的相适应。
[图4]
图4a和图4b描绘了本发明的实施例中的另一种HMD系统的俯视图，其中包括附加的偏振器和四分之一波片。
[图5]
图5描绘了本发明的实施例中的另一种HMD系统的俯视图，其中包括应用于图像面板的附加的百叶片。
[图6]
图6描绘了本发明的实施例中的另一种HMD系统的俯视图，其中包括附加的校正透镜元件。
[图7]
图7描绘了本发明的实施例中的另一种HMD系统的俯视图，其中图像面板和透镜部件之间填充有折射材料。
[图8]
图8描绘了本发明的实施例中的另一种HMD系统的俯视图，其中包括用于每个目镜的中心折射材料和单个透镜部件。
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。在示例性实施例中，HMD系统包括三个图像面板，它们可以具有相同的尺寸。参照该图，一第一图像面板12和一第二图像面板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，并且中央图像面板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。
因此，本发明的一个方面是HMD系统，其包括两个非共享的图像面板和一个共享的图像面板，其中，图像面板定位成能够出射最佳填充典型人类视野的图像。在示例性实施例中，HMD系统包括光学装置、第一图像面板、第二图像面板及中央图像面板，光学装置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。中央图像面板位于第一图像面板和第二图像面板之间，中央图像面板包括第一面板部分和第二面板部分。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。光学装置还用于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，并且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第二眼睛方向从HMD系统射出。
在示例性实施例中，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，从而增加光的光路，同时保持最小的尺寸。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。
类似的，与第二图像面板14相关的第二镜面部件26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，从而增加光的光路，同时保持最小的尺寸。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所述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，一部分图像光从中央图像面板20被引导至左眼。
图2描绘了图1所示的HMD系统10的立体示意图。图2的观察方向是看向目镜的方向，即，当佩戴HMD系统10时从用户的方向看。在该特定示例中，第一图像面板12、第二图像面板14和中央图像面板20均为矩形图像面板，并且具有相等面积的发光表面。因此，每个图像面板具有长边a和短边b。如图2所示，在使用方向上，非共享的第一和第二图像面板分别为长边a竖直设置、短边b水平设置。同样在使用方向上，中央图像面板20为长边a水平设置、短边b竖直设置。中央图像面板20在左眼和右眼之间均等地共享，因为中央图像面板的第一面板部分和中央图像面板的第二面板部分具有相同的尺寸。在本实施例中，长边是短边长度的两倍(a＝2b)。应当理解，图2所示的结构仅为一个实施例，通常，a和b的长度可以相等或者不相同，并且可以具有或不具有相对于每条边多重关系的尺寸。
使用具有相同尺寸的三个图像面板在人类视野上成像的方式是有效且成本实用的。如上所述，中央图像面板20作为共享的图像面板，其中一部分图像光从中央图像面板20被引导至右眼，一部分图像光从中央图像面板20被引导至左眼。在这方面，来自中央图像面板20的第一面板部分32的光和来自非共享的第一图像面板12的光组合在一起，来自中央图像面板20的第二面板部分34的光和来自非共享的第二图像面板14的光组合在一起。
图3描绘了与典型人类视野相关的非共享和共享的图像面板，其中图像面板的尺寸与图2中的相适应。右眼可生成相似的视野图。在左眼的示例中，非共享的第二图像面板14的轮廓沿共享的中央图像面板的第二面板部分34绘制。图3还显示了左眼的典型视野的轮廓50，以及典型视野的中心52。
如图3所示，图像光从两个图像面板被引导至每只眼睛。每只眼睛看到一个非共享的图像面板的整体，例如，右眼接收来自第一图像面板12的光，左眼接收来自第二图像面板14的光(再次说明，图3具体描述了左眼)。另外，每只眼睛接收来自共享的中央图像面板20的部分光，优选为一半的光。在示例性实施例中，右眼接收来自共享的中央图像面板20的第一面板部分32的光，并且左眼接收来自共享的中央图像面板20的第二面板部分34的光。如图3进一步所示，每只眼睛从一个非共享的图像面板和共享的图像面板的相应部分接收的图像光组合以接近最佳地填充如图所示的典型人类视野。这具有以下优势：图像面板上存在尽可能少的不可见区域，从而最小化HMD系统的形状。另外，典型视野的中心52位于非共享和共享的图像面板的重叠区域中，使得图像光最佳地指向典型视野的中心。
公开的HMD系统的结构相对于传统结构具有优势。使用三个图像面板的结构中，来自非共享的图像面板的图像光与来自共享的图像面板的部分光组合在一起供给每只眼睛，有利于尽可能减少图像面板上的不可见区域，从而最小化HMD系统的形状。另外，通过这种结构，光学装置为用户鼻子提供了足够的空间，以便更舒适的佩戴HMD系统。此外，与传统结构相比，HMD系统的重量集中在更靠近用户头部的位置，因此头部和颈部上的扭矩减小，并且不再需要传统需求中的皮带来佩戴HMD系统。结果获得一个增强的HMD系统，不仅紧凑且佩戴舒适，而且不会牺牲最佳VR和AR应用所需的图像质量。
图4a描绘了本发明的实施例中的另一种HMD系统60的俯视图。该HMD系统60包括附加的偏振器62和四分之一波片(Quarter Wave Plate，QWG)64。图像面板、镜面部件及透镜部件的设置与图1所示的实施例相同。因此，图4a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。在图4a的结构中，将偏振器和QWP添加到HMD系统60中，有利于最小化重影成像，从而提高整体图像质量。
图4a所示的实施例特别适用于采用能够发射原生偏振光的图像面板的HMD系统中，例如液晶显示(Liquid Crystal Display，LCD)设备。LCD设备通常发射原生偏振光。另外，如果反射光和非反射光都能从图像面板到达透镜部件，则可能生成重影图像。因此，第一、第二及中央图像面板可以是发射原生偏振光的图像面板，偏振器和QWP的设置能够确保仅沿一定的光学路径发射的光穿过透镜部件传输给用户。
因此，在示例性实施例中，光学装置还包括位于每个透镜部件上的偏振器，以及分别位于与第一图像面板、第二图像面板及中央图像面板相应的镜面部件上的四分之一波片。参照图4a的实施例，光学装置包括多个偏振器62以阻挡图像面板的原生偏振光穿过透镜部件。在这种方式中，例如，光不能直接从共享的图像面板通过位于中央的第三和第四透镜部件。HMD系统还包括多个四分之一波片64。多个四个之一波片64用于将来自LCD的原生偏振光的偏振态改变为可以穿过偏振器62的偏振态。在这种方式中，光仅沿着共同的光学路径穿过透镜部件，由此光可以通过QWP来改变偏振态，然后通过镜面部件的反射引导至透镜部件。通过仅沿一定的光学路径限制光穿过透镜部件，避免了重影。当佩戴HMD系统时，这种结构使偏振器62相对于眼睛的透镜组件位于后面(如图4a所示)或前面，使重影最小化。
如上所述，图4a示例的结构特别适用于采用发射原生偏振光的图像面板的HMD系统。在示例性实施例中，第一、第二及中央图像面板发射原生非偏振光。对于发射原生非偏振光的图像面板(例如有机发光二极管或OLED显示器)，附加的偏振器可位于非观看侧的图像面板的前面以实现相当的效果。在这种方式中，从OLED的图像面板发射的非偏振光立即被偏振，与光从原生偏振的图像面板发射的一样。图4b描绘的实施例在图像面板上提供附加的偏振器。QWP也可以设置在相对的镜面部件上(如第一镜面部件22和第三镜面部件30)。
可采用替代结构来最小化重影图像的产生。例如，光学装置可以包括多个光引导部件，用于确保仅沿某些期望的光学路径发射的光可以穿过透镜部件。例如，图5描绘了本发明的实施例中的另一种HMD系统70的俯视图。该HMD系统70包括附加的百叶片72，以应用于第一、第二及中央图像面板作为光引导部件。百叶片72用于将图像光导向相应的且正确的镜面部件，并远离透镜部件，使得仅沿着所需光学路径的光通过透镜部件射出。使用百叶片72的机构具有不需要图像面板的光被偏振的优点。通过使用定向背光而不是百叶片72，也可以实现沿着所需光学路径引导光的相似导向效果。
作为使用光引导部件的另一示例，图6描绘了本发明的实施例中的另一种HMD系统80的俯视图。该HMD系统80包括附加的校正透镜元件82，并入HMD系统80充当光引导部件。如图所示，校正透镜元件82用作每个光路的辅助透镜。该结构使几何失真最小化，并且用于减小图像像差，例如色差。每个校正透镜元件82可以是弯曲透镜、自由形状的透镜结构或者菲涅耳透镜结构。
图7描绘了本发明的实施例中的另一种HMD系统90的俯视图。其中，在光学装置中，图像面板和透镜部件之间的体积填充有透明的折射材料。折射材料的存在是为了改善视野。在示例性实施例中，透明的折射材料可以是空气，也可以是透明的塑料材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate)，PMMA)或者类似的丙烯酸或类似的透明塑料材料，如下将进一步详述。透明的折射材料可以成形为适合图像面板和透镜部件之间的体积，并且可以附着或不附着到图像面板本身。另外，折射材料能够与图4a和4b所示的实施例中包括的偏振器和QWP结合使用。偏振器和QWP可以与折射材料相结合，从而如上所述减少重影。在折射材料的抛光表面设置抗反射涂层，即光通过的地方，也有助于减少重影并提高效率。折射材料还可以与图5中的百叶片组合使用，和/或与图6中的校正透镜元件组合使用。
图7描述的实施例中，透明折射材料可以包括第一折射材料92和第二折射材料94，其中第一折射材料92的折射率不同于第二折射材料94的折射率。折射率为rp的第一折射材料92位于与非共享的第一和第二图像面板相关联的HMD系统90的外围部分。折射率为rc的第二折射材料94位于与中央图像面板20相关联的HMD系统90的中心部分。也就是说，第一和第二图像面板的出射光穿过第一折射材料92，中央图像面板的出射光穿过第二折射材料94。如上所述，第一折射材料和第二折射材料的折射率rp和rc可以不同，例如，rp可以是折射率为1.0的空气，rc可以是折射率为1.5的PMMA。透镜部件可以与折射材料为一体结构，即，透镜部件可以是相应的折射材料弯曲而成，或者透镜部件可以是结合到相应折射材料的独立元件。
在另一个示例性实施例中，与图6所示的实施例相比较的辅助的校正透镜可以定位在相应的折射材料内的中心。如果使用低折射率胶和菲涅耳透镜结构，或者如果校正透镜相对于折射材料具有显著不同的折射率，则可以使两种折射材料在块内粘合。这种结构可以与位于不同位置的偏振器结合，和/或与一个或两个镜面部件上的QWP结合。
图8描绘了本发明的实施例中的另一种HMD系统100的俯视图。该HMD系统100包括用于每个目镜的中心折射材料和单个透镜部件。通过匹配先前实施例中两个透镜部件的光学特性，相对于左眼和右眼的每个目镜，可以进一步增强图像质量。在图8的实施例中，通过先前实施例的透镜部件(24和46)整体配置为第一目镜(例如右眼)部件102来实现匹配的光学特性，以接收从非共享的第一图像面板12和共享的中央图像面板20的第一面板部分32发射的光。相比之下，对于另一目镜，通过先前实施例的透镜部件(28和48)整体配置为第二目镜(例如左眼)部件104来实现匹配的光学特性，以接受从非共享的第二图像面板14和共享的中央图像面板20的第二面板部分34发射的光。也就是说，对于每个目镜，单独的目镜部件通过单个旋转对称透镜部件的两个半部精确匹配。
在该实施例中，透镜组件与共享的中央图像面板或非共享的图像面板之间的光学路径应该相同，以实现高图像质量。当空间限制允许时，可几何完成匹配光路。在图8的实施例中，匹配的光学性质进一步通过将高折射率材料106(例如PMMA)设置于共享的中央图像面板20发射的光的光学路径中而获得。高折射率材料106通过允许系统几何形状和空间配置的更大灵活性来辅助光学路径的匹配。
因此，本发明的一个方面是一种HMD系统，其包括两个非共享的图像面板和一个共享的图像面板，其中，图像面板定位成能够出射最佳填充典型人类视野的图像光。在示例性实施例中，HMD系统包括光学装置、第一图像面板、第二图像面板及中央图像面板，光学装置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。中央图像面板位于第一图像面板和第二图像面板之间，中央图像面板包括第一面板部分和第二面板部分。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。光学装置还用于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，并且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第二眼睛方向从HMD系统射出。HMD系统可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。
在HMD系统的一个实施例中，第一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系统的一个实施例中，第一图像面板、第二图像面板及中央图像面板具有相等面积的发光表面。
在HMD系统的一个实施例中，第一图像面板、第二图像面板及中央图像面板均为矩形图像面板且尺寸相等；当HMD系统位于使用方向时，第一和第二图像面板分别为长边竖直设置、短边水平设置，中心图像面板为长边水平设置、短边竖直设置。
在HMD系统的一个实施例中，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、第二及中央图像面板的图像光沿相应的光学路径引导至多个透镜部件。
在HMD系统的一个实施例中，光学装置包括：第一镜面部件，用于将来自第一图像面板的图像光引导至第一透镜部件；第二镜面部件，用于将来自第二图像面板的图像光引导至第二透镜部件；第三镜面部件，其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，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系统的一个实施例中，第三镜面部件包括第一和第二鼻子分段以邻接形成楔形，并且包括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。
在HMD系统的一个实施例中，光学装置还包括位于每个透镜部件上的偏振器，以及分别位于与第一图像面板、第二图像面板及中央图像面板相应的镜面部件上的四分之一波片。
在HMD系统的一个实施例中，第一、第二及中央图像面板发射原生偏振光。
在HMD系统的一个实施例中，第一、第二及中央图像面板发射原生非偏振光，并且光学装置还包括分别位于第一、第二及中央图像面板上的偏振器。
在HMD系统的一个实施例中，光学装置包括多个光引导部件，用于沿一定的光学路径引导光。
在HMD系统的一个实施例中，多个光引导部件包括分别位于第一、第二及中央图像面板上的百叶片。
在HMD系统的一个实施例中，多个光引导部件包括多个校正透镜元件，作为自第一、第二及中央图像面板发射的光的光学路径上的辅助透镜。
在HMD系统的一个实施例中，每个图像面板和一个透镜部件之间的空间填充有透明的折射材料。
在HMD系统的一个实施例中，折射材料包括位于第一图像面板、第二图像面板与相应的HMD系统的外围部分之间的第一折射材料，使得第一和第二图像面板的出射光穿过第一折射材料；折射材料还包括位于中央图像面板与相应的HMD系统的中心部分之间的第二折射材料，使得中央图像面板的出射光穿过第二折射材料；第一折射材料的折射率不同于第二折射材料的折射率。
在HMD系统的一个实施例中，第一折射材料为空气，第二折射材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
在HMD系统的一个实施例中，多个透镜部件形成为折射材料的弯曲表面。
在HMD系统的一个实施例中，多个透镜部件包括第一目镜部件用于接收来自第一图像面板和中央图像面板的第一面板部分的光，以及第二目镜部件用于接收来自第二图像面板和中央图像面板的第二面板部分的光。
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，所述光学装置沿第一光学路径引导来自所述第一图像面板的图像光；
第二图像面板，所述光学装置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；及
中央图像面板，其位于所述第一图像面板和所述第二图像面板之间，且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；
所述光学装置用于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，并且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。
2.如权利要求1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。
3.如权利要求1-2中任意一项所述的HMD系统，其特征在于：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具有相等面积的发光表面。
4.如权利要求3所述的HMD系统，其特征在于：
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均为矩形图像面板且尺寸相等；
当所述HMD系统位于使用方向时，所述第一图像面板和所述第二图像面板分别为长边竖直设置、短边水平设置，所述中央图像面板为长边水平设置、短边竖直设置。
5.如权利要求1-4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。
6.如权利要求1-5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。
7.如权利要求6所述的HMD系统，其特征在于：所述光学装置包括：
第一镜面部件，用于将来自所述第一图像面板的图像光引导至第一透镜部件；
第二镜面部件，用于将来自所述第二图像面板的图像光引导至第二透镜部件；
第三镜面部件，其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，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。
8.如权利要求7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。
9.如权利要求7-8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。
10.如权利要求6-9中任意一项所述的HMD系统，其特征在于：所述光学装置还包括位于每个所述透镜部件上的偏振器，以及分别位于与所述第一图像面板、所述第二图像面板及所述中央图像面板相应的所述镜面部件上的四分之一波片。
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、所述第二图像面板及所述中央图像面板发射原生偏振光。
12.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、所述第二图像面板及所述中央图像面板发射原生非偏振光，并且所述光学装置还包括分别位于所述第一图像面板、所述第二图像面板及所述中央图像面板上的偏振器。
13.如权利要求1-12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光引导部件，用于沿一定的光学路径引导光。
14.如权利要求13所述的HMD系统，其特征在于：多个所述光引导部件包括分别位于所述第一图像面板、所述第二图像面板及所述中央图像面板上的百叶片。
15.如权利要求13所述的HMD系统，其特征在于：多个所述光引导部件包括多个校正透镜元件，作为自所述第一图像面板、所述第二图像面板及所述中央图像面板发射的光的光学路径上的辅助透镜。
16.如权利要求1-15中任意一项中任意一项所述的HMD系统，其特征在于：每个图像面板和一个所述透镜部件之间的空间填充有透明的折射材料。
17.如权利要求16所述的HMD系统，其特征在于：
所述折射材料包括位于所述第一图像面板、所述第二图像面板与相应的所述HMD系统的外围部分之间的第一折射材料，使得所述第一图像面板和所述第二图像面板的出射光穿过所述第一折射材料；
所述折射材料还包括位于所述中央图像面板与相应的所述HMD系统的中心部分之间的第二折射材料，使得所述中央图像面板的出射光穿过所述第二折射材料；
所述第一折射材料的折射率不同于所述第二折射材料的折射率。
18.如权利要求17所述的HMD系统，其特征在于：所述第一折射材料为空气，所述第二折射材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
19.如权利要求16-18中任意一项所述的HMD系统，其特征在于：多个所述透镜部件形成为所述折射材料的弯曲表面。
20.如权利要求16-19中任意一项所述的HMD系统，其特征在于：多个所述透镜部件包括第一目镜部件用于接收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，以及第二目镜部件用于接收来自所述第二图像面板和所述中央图像面板的第二面板部分的光。
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