CN110275300A - 头戴显示系统的瞳距调整机构及其瞳孔间距的调整方法 - Google Patents

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Abstract

一种头戴显示(HMD)系统包括：光学装置；至少一个可移动图像面板，其中光学装置沿第一光学路径引导来自可移动图像面板的图像光；固定图像面板，其中从固定图像面板射出的图像光的一部分通过光学装置与至少一个可移动图像面板的图像光结合；以及调整机构，其被配置为通过使光学装置和可移动图像面板相对于固定图像面板在对应不同IPD的第一位置和第二位置之间移动来调整HMD系统的瞳孔间距(IPD)。对IPD的调整不改变第一光学路径。所述HMD系统还可以包括感测模组，其被配置为测量光学装置的调整位置；以及控制电子器件，其被配置为基于测量的调整位置确定IPD，并且基于IPD更新由固定图像面板发射的图像光。

Description

头戴显示系统的瞳距调整机构及其瞳孔间距的调整方法
技术领域
本发明可应用于紧凑型可穿戴显示领域，尤其是用于诸如虚拟现实和增强现实之类的应用的头戴显示(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以及诸如头盔式显示器，智能眼镜和虚拟现实头戴装置之类的类似装置允许用户佩戴显示装置，使得硬件保持固定到他们的头部而不管用户的移动。
当与环境传感器(如摄像机，加速度计，陀螺仪，罗盘和测光表)结合使用时，HMD可以为用户提供虚拟现实和增强现实的体验。虚拟现实(Virtual Reality，VR)允许用户沉浸到虚拟世界中，其中用户看到的一切都来自显示设备。提供增强现实(Augmented Reality，AR)的装置允许用户光学地看到环境，并且由显示装置生成的图像被添加到场景中并且可以与环境融合。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视场的透镜配置。
典型的商业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)包括显示装置和一种可将显示光成像到远场以实现的观看的透镜结构。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具有虚像，这种配置的尺寸受到限制。此外,显示器离眼睛的距离相对较远，意味着装置必须绑在头上以免脱落。更进一步地,佩戴时装置的重量很大,意味着由于装置重量产生的头部扭矩,长期观看会使脸部和颈部变得疲惫。在这种系统中使用的透镜元件可以被配置为已知类型的普通曲面透镜，或者是已知类型的具有角度特征的结构化菲涅耳透镜，或者涉及一个或多个透镜的其他已知透镜配置。
HMD的主要元件之一是安装在头部上的显示模组。然而，由于肉眼无法适应(即，改变光学功率以提供聚焦图像)距离眼睛近于一定距离的图像，目镜镜头需要重新成像显示模块，使得显示图像看起来与用户处于舒适的观看距离。这种光学装置在目镜和显示模组之间需要相当大的空间。更进一步地，如果HMD需要显示高质量和宽视场(Field of View，FOV)的图像，则需要复杂的镜头。在传统系统中这些要求的结果是在任何时间长度内佩戴都不舒服的沉重而大块的头戴装置，并且尺寸受到基本光学的限制，以实现正确的放大率和虚像距离。
分离人眼的距离在本领域中已知为瞳孔间距(Interpupillary Distance，IPD)，对于成人而言，其范围倾向于约50mm至70mm。为了最佳图像质量，HMD系统的目镜部件的相应IPD应与用户的IPD相匹配。如果用户的IPD与HMD的光学设计指定的IPD明显不同，则使用固定光学器件的典型HMD将显示像差。为了最小化这些像差，HMD可以具有可以被物理调节以适应用户的特定IPD的光学器件。
有许多传统的方法通常用于调整HMD的IPD。例如，许多商业HMD采用允许用户改变分离目镜透镜的距离的物理机构。例如，CN206805007(2017年12月26日提交)描述了一种使用剪式连接器和螺钉来调节HMD的瞳孔间距的方法。CN107015363(黄，发表于2017年8月4日)描述了一种使用齿条和齿轮机构调节瞳孔间距的方法。用于将图像渲染到显示器上的IPD值随后在软件中改变为设定值，或者通过感测系统目镜的位置的感测系统自动改变。显示在显示面板上的图像随后被相应地调整，例如，WO2014163869(Stafford，2014年10月9日公开)描述了一种用于调整HMD中的瞳孔间距并随后更新所显示的图像的方法。在所有这些系统中，显示面板保持固定在HMD内，并且目镜的光学部件相对于显示面板移动。
已经有其他尝试使用具有重叠图像的多个小透镜来降低HMD外形因素，所述重叠图像修改所需的放大率。例如，2016年12月19日提交的申请人的共同拥有的申请GB1621621.0描述了具有两个显示器和折叠的W形镜子配置的另一种图像重叠系统。在这种情况下，视场由最大孔径和路径长度限定。尽管与现有传统配置相比，这种系统在使用期间降低了整体外形因素，在这个初步设计中，没有描述调整为这种系统优化的IPD的机构。
发明内容
因此，本领域需要一种增强的HMD系统，其紧凑且佩戴舒适，而不会牺牲最佳VR和AR应用所需的图像质量，并且允许调整HMD系统的IPD以匹配用户的IPD。本发明提供了用于每只眼睛的目镜和光学部件的分离，其可以被调节以匹配用户的IPD。所述HMD系统包括位于两个周边非共享图像面板之间的共享中央图像面板，并且周边图像面板与目镜光学器件一起相对于中央图像面板自由移动。这种配置的一个优点在于用户可以定制HMD系统的IPD以匹配用户的特定IPD以最大化HMD系统的图像质量。
根据整体的外形因素，本发明的HMD系统在使用折叠光学装置时改善了系统的紧凑性。HMD系统的配置组合了在目镜透镜的眼睛或观察侧、靠近头部的图像面板，以及在目镜透镜的图像或非观察侧上的图像面板。这种配置的优点在于HMD系统从面部突出的距离小于先前的设计，因此可以具有显著减小的重量，更接近面部，并且因此在佩戴时产生较少的疲劳。这种设计不仅意味着近沿光学器件可以被用于提供大FOV，而且还允许用于用户的鼻子的空间以提供更舒适的佩戴配置。
在示例性实施例中，所述HMD系统包括三个尺寸相同的图像面板。第一图像面板和第二图像面板分别用于以非共享方式将图像呈现给用户的右眼和左眼。所述HMD系统进一步包括第三图像面板，其位于相对于第一和第二图像面板的中央位置，且所述第三图像面板将呈现在左眼和右眼之间共享的图像。利用这样的配置，左眼和右眼中的每一个因此可以看到两个图像面板，完整的一个(从非共享的第一和第二图像面板发出)和双眼共享的第三中央图像面板的一半。进一步利用这样的配置，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的人类视野。
所描述的配置的优点在于，在图像面板上看不见的区域尽可能少，这最小化了HMD系统的外形因素。此外，通过这种配置，光学装置为用户的鼻子提供了充足的空间。此外，重量集中在靠近使用者的头部，因此头部和颈部的扭矩减小，并且用于佩戴系统的带子的传统要求变得不那么必要了。结果是增强的HMD系统紧凑且佩戴舒适，而不会牺牲最佳VR和AR应用所需的图像质量。
在示例性实施例中，周边非共用图像面板与目镜的光学组件一起相对于中央图像面板自由移动，以不改变来自周边图像面板的图像光的光学路径的方式。结果，只有从中央图像面板射出的图像光需要被更新以适应HMD系统的物理调整以调整IPD。
用户通过合适的调整机构的操作来调节HMD系统的IPD。例如，调整机构可以设置为旋钮和螺杆机构，通过该机构，用户通过旋转调整旋钮来调节IPD以旋转配合的调整螺钉。螺纹连接器连接到光学系统，使得光学装置的位置随着调整旋钮的旋转而调节，这导致IPD得到调整。调整螺钉以及螺纹连接器具有螺纹，使得当调整旋钮旋转时，两个螺纹连接器沿着调整螺钉朝向或远离调整旋钮移动。此外，在示例性实施例中，感测模组测量HMD系统的IPD，并且基于测量的IPD自动更新从中央图像面板发射的图像光。
因此，本发明的一个方面，是一种头戴显示(HMD)系统，其具有结合最佳调整机构的增强的图像面板配置。在示例性实施例中，所述HMD系统包括光学装置；至少一个可移动图像面板，其中所述光学装置沿第一光学路径引导来自所述可移动图像面板的图像光；固定图像面板，其中从所述固定图像面板射出的图像光的一部分通过所述光学装置与至少一个可移动图像面板的图像光结合；以及调整机构，其通过使所述光学装置和可移动图像面板相对于所述固定图像面板在对应不同IPD的第一位置和第二位置之间移动来调整HMD系统的瞳孔间距(IPD)；其中对IPD的调整不改变第一光学路径。所述HMD系统进一步包括感测模组，其被配置为测量所述光学装置的调整位置；以及控制电子器件，其被配置为基于测量的调整位置确定IPD，并且基于IPD更新由固定图像面板发射的图像光。
在示例性实施例中，所述至少一个可移动图像面板包括周边第一图像面板，其中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；周边第二图像面板，其中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第二图像面板的图像光；以及中央图像面板，其位于周边第一和第二图像面板之间，所述中央图像面板包括第一面板部分和第二面板部分。光学装置沿着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。光学装置被配置成使得来自第一图像面板和中央图像面板的第一面板部分的光在第一眼睛方向以组合方式从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在不同于第一眼睛方向的第二眼睛方向上以组合方式从HMD系统射出。对IPD的调整不改变第一光学路径和第二光学路径，并且改变了中央图像面板的第一和第二图像面板部分的位置，以及操作调整机构相对于中央图像面板移动了第一和第二图像面板。
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，这些实施例仅表示本发明原理的各种方式中的一些可以被采用。当结合附图考虑时，本发明的其他目的，优点和新颖特征将从本发明的以下详细描述中变得显而易见。
附图说明
图1是描绘根据本发明的实施例的示例性HMD系统的俯视图，其中所述HMD系统处于相对大的IPD的第一位置。
图2是描绘图1的示例性HMD系统的俯视图，其中HMD系统处于相对小的IPD的第二位置。
图3是描绘根据本发明的实施例的示例性HMD系统的立体图，其中HMD系统处于相对大的IPD的第一位置，并且还示出了调整机构的附加细节。
图4是描绘图3的示例性HMD系统的立体图，其中HMD系统处于相对小的IPD的第二位置。
图5是描绘根据本发明实施例的示例性HMD系统的俯视图，其中所述HMD系统处于相对大的IPD的第一位置并且还包括IPD感测模组。
图6是描绘图5的示例性HMD系统的俯视图，其中所述HMD系统处于相对小的IPD的第二位置。
附图标记说明
头戴显示系统(HMD系统) 10
第一图像面板 12
第二图像面板 14
右眼 16
左眼 18
第三或共享图像面板 20
第一镜子组件 22
第一透镜部件 24
第二镜子组件 26
第二透镜部件 28
第三镜子组件 30
第一图像面板部分 32
第二图像面板部分 34
第一镜子部分 36
第二镜子部分 38
第三透镜组件 46
第四透镜组件 48
调整机构 50
未使用或非成像面板部分 52
头戴显示系统 60
调整机构 62
调整旋钮 64
调整螺钉 66
调整螺钉 68
螺纹连接器 70
螺纹连接器 72
头戴显示系统 80
调整机构 82
控制电子器件 84
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的实施例，其中相同的附图标记始终用于表示相同的元件。应该理解，附图不一定按比例绘制。
通常，本发明的一个方面是一种头戴显示(HMD)系统，其具有与最佳调整机构相结合的增强图像面板配置。在示例性实施例中，HMD系统包括光学装置；至少一个可移动图像面板，其中所述光学装置沿第一光学路径引导来自可移动图像面板的图像光；固定图像面板，其中从固定图像面板发射的图像光的一部分通过所述光学装置与至少一个可移动图像面板的图像光相组合；以及调整机构，用于通过在对应不同IPD的第一位置和第二位置之间相对于固定图像面板移动光学装置和可移动图像面板来调整HMD系统的瞳孔间距(IPD)；其中对IPD的调整不改变第一光学路径。所述HMD系统进一步可以包括感测模组，其被配置为测量光学装置的调整位置，以及控制电子器件，其被配置为基于测量的调整位置确定IPD，并且基于IPD更新由固定图像面板发射的图像光。
在示例性实施例中，所述至少一个可移动图像面板包括周边第一图像面板，其中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；周边第二图像面板，其中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第二图像面板的图像光；以及中央图像面板，其位于周边第一和第二图像面板之间，所述中央图像面板包括第一面板部分和第二面板部分。光学装置沿着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。光学装置被配置成使得来自第一图像面板和中央图像面板的第一面板部分的光在第一眼睛方向以组合方式从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在不同于第一眼睛方向的第二眼睛方向上以组合方式从HMD系统射出。对IPD的调整不改变第一光学路径和第二光学路径，并且改变了中央图像面板的第一和第二图像面板部分的位置，以及操作调整机构相对于中央图像面板移动了第一和第二图像面板。
图1是描绘根据本发明实施例的示例性头戴显示(HMD)系统10的俯视图，其中所述HMD系统10处于相对就大的IPD的第一位置。图2是描绘图1的示例性HMD系统10的俯视图，其中所述HMD系统处于相对较小的IPD的第二位置。在示例性实施例中，所述HMD系统包括三个可以是尺寸相同的图像面板。参考图2，第一图像面板12和第二图像面板14分别用于以非共享方式将图像呈现给用户的右眼和左眼。所述HMD系统10进一步包括第三或者共享图像面板20，其位于相对于第一和第二图像面板的中央位置，且所述第三图像面板20将呈现在左眼和右眼之间共享的图像。因为第一和第二图像面板12和14相对于中央图像面板20位于HMD配置的周边，第一和第二图像面板也可以被称为周边图像面板。
在这个主要的实施例中，左眼和右眼中的每一个因此可以看到两个图像面板，完整的一个(从非共享的第一和第二图像面板发出)和双眼共享的第三中央图像面板的一半。利用这样的配置，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的人类视野。图像显示面板可以通过合适的电子器件被电控制,该电子器件以本领域已知的任何合适的方式结合到HMD系统中,使得每个图像面板射出对应于所需图像的图像光。因此，为了简化说明，图中省略了控制电子设备。
在HMD系统10的配置中，非共享的第一和第二周边图像面板12和14位于HMD系统的观察或眼睛侧，靠近头部。中央共享图像面板20位于HMD系统的非观看或成像侧。这种配置的一个优点是HMD系统从面部突出的距离小于先前的设计，因此可以显著减轻重量。与传统配置相比，整个系统定位得更靠近面部，因此相对于头部产生更小的扭矩，从而减少佩戴时的疲劳。该设计还意味着可以使用近眼光学器件来提供大FOV，同时还允许用于用户的鼻子的空间以提供更舒适的佩戴配置。
在示例性实施例中，用于引导来自显示面板的图像光的光学装置包括多个镜子部件和多个透镜部件，其中所述多个镜子部件被配置为将来自所述第一、第二和中央图像面板的图像光沿着相应的光学路径引导到所述多个透镜部件。参考图1，所述光学装置可以如下配置。关于第一非共享图像面板12，光学装置可包括第一镜组件22，其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，第一镜子组件22可以配置有“折叠”或楔形配置的多个镜段，由此在保持最小尺寸的同时增加光的光路。利用这样的配置，从第一图像面板12射出的光仅由第一镜子组件22的镜段引导，仅通过第一透镜部件24，因此仅到一只(右)眼。因此，第一图像面板12被称为“非共享”图像面板，因为来自第一图像面板12的图像光仅沿着第一光学路径被引导到单个眼睛，在这种情况下是右眼。
类似地，光学装置可以包括第二镜子组件26，其将来自第二非共享图像面板14的图像光沿着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，并且最终引导至左眼18。类似于最小化HMD系统的尺寸或占地面积，第二镜子组件可以配置有“折叠”或楔形配置的多个镜段，由此在保持最小尺寸的同时增加光的光路。利用这样的配置，从第二图像面板14射出的光仅由第二镜子组件26的镜段引导，仅通过第二镜头组件28，因此仅到一只(左)眼。因此，第二图像面板14被称为“非共享”图像面板，因为来自第二图像面板14的图像光仅沿着不同的第二光学路径被引导到另一只单眼，在这种情况下是左眼。
关于第三和共享中央图像面板20，光学装置可以包括第三镜子组件，其如下通过附加透镜部件引导来自第三图像面板20的图像光。第三图像面板被分成第一图像面板部分32和第二图像面板部分34，使得从第一图像面板部分32射出的图像光被引导到一只(例如，右)眼睛16，并且从第二图像面板部分34射出的图像光沿着不同的光学路径引导到另一只(例如，左)眼睛18。相应地，第三镜子组件30包括：第一镜子部分36，其引导从第一图像面板部分32射出的图像光；以及第二镜子部分38，其引导从第二图像面板部分34射出的图像光。
第三镜子组件30还被配置为多个镜段，该多个镜段被配置成(1)如上所述适当地引导来自中央图像面板的图像光，以及(2)提供紧凑且易于佩戴的配置。对于特定的镜段，第一镜子部分36包括在佩戴时邻近使用者的鼻子的第一鼻段，以及与第一鼻段相反的第一外部段。类似地，第二镜子部分38包括在佩戴时邻近使用者的鼻子的第二鼻段，以及与第二鼻段相反的第二外部段。鼻段配置成在佩戴HMD系统时容纳使用者的鼻子，外部段允许以紧凑的配置控制图像光的引导。如图1所示，第一和第二鼻段可以相遇以形成楔形以使尺寸最小化，并且第一和第二外部段可以与相应的鼻段间隔开并且平行。
共用镜子组件30的第一镜子部分36将从共用图像面板20的第一图像面板部分32射出的光引导到第三透镜部件46。共用镜子组件30的第二镜子部分38将从共用图像面板20的第二图像面板部分34射出的光引导到第四透镜部件48。第三和第四透镜部件分别将光导向右眼和左眼。此外，如图1的示例中所示，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。中央第三图像面板20被称为“共享”图像面板，因为一部分图像光从第三图像面板20被引导到右眼，并且一部分图像光被从第三图像面板20引导到左眼。
HMD系统10还包括调整机构50，在图1和2中以方框形式示出。如上所述，图1示出了处于相对大的IPD的第一位置的HMD系统10，并且图2示出了处于相对小的IPD的第二位置的HMD系统10。换句话说，HMD系统10可在第一位置和第二位置之间调整，并且与第二位置相比在第一位置具有不同的IPD。使用调整机构50可调整HMD系统10的IPD。优选的是，图1的第一位置对应于最大IPD，只要在这样的第一位置，镜子部分36和38的外部段与中央图像面板20的相反边缘对齐。第二位置对应于最小IPD，只要在这样的第二位置，镜子部分36和38的鼻段的端部相遇以形成闭合的楔形。还应当理解的，可以将HMD系统调整到图1和图2的第一和第二位置之间的任何调整位置。
通过比较图1和2所示，当HMD系统10被调整以调整IPD时，共享的中央图像面板20保持固定为相对于第一和第二图像面板居中定位。因此，共享中央图像面板在此也称为固定图像面板。周边非共用图像面板12和14，以及包括目镜的各种镜子和透镜组件的光学装置通过调整机构50的操作相对于中央图像面板20自由移动。因此，周边非共享图像面板也称为可移动图像面板。如图1和图2所示，实施例包括位于周边第一和第二图像面板之间的中央图像面板。更通常地，本发明的实施例包括至少一个可移动图像面板和至少一个固定图像面板，其中由固定图像面板发射的至少一部分图像光通过光学装置与至少一个可移动图像面板的图像光组合。
如上所述，共用中央图像面板20被分成第一图像面板部分32和第二图像面板部分34，使得从第一图像面板部分32射出的图像光被引导到一个(例如，右)眼睛16，并且从第二图像面板部分34射出的图像光沿着不同的光路被引导到另一个(例如，左)眼睛18。另外，中央图像面板20的未使用或非成像面板部分52未定位成向光学装置发光。沿中央图像面板20的非成像面板部分52和成像面板部分32和34的位置将取决于HMD系统10的调整位置。
例如，在图1的第一位置，未使用的面板部分52构成图像面板20的中央部分。在图2的第二位置，未使用的面板部分52构成图像面板20的周边部分。可以理解的，当HMD系统10处于第一和第二位置之间的中间调整位置时，未使用面板部分52将部分地构成图像面板20的中央部分和周边部分。换句话说，当HMD系统10被调整到期望的IPD时，中央图像面板20朝向透镜46和48发射光(以及反射离开第三镜子组件30)的部分发生变化。以这种方式，当光学装置处于第一位置时的成像部分与当光学装置处于第二位置时的成像部分不同；当光学装置处于第一位置时的非成像部分与光学装置处于第二位置时的非成像部分不同。为了适应非成像部分相对于中央图像面板20的成像部分的变化，控制电子器件(包括合适的控制软件)必须调整来自中央图像面板20的光发射，以匹配图像与中央图像面板的成像部分，从而确保最佳图像质量。
相反，用于非共享周边图像面板12和14的光学路径不会通过HMD系统10的物理调整来改变以调整IPD。在图1和图2中，光学装置的第一部分，包括镜子组件22和透镜段24，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，包括镜子组件26和透镜段28，沿着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。当光学装置在第一和第二位置之间移动以调整IPD时，第一和第二光学路径仍不改变，因为光学装置的第一和第二部分的组件的相对定位相对于图像面板12和14没有改变。结果，只有从中央图像面板20发射的图像需要被更新以适应HMD系统的物理调整以调整IPD。
图3是描绘根据本发明的实施例的示例性HMD系统60的立体图，其中HMD系统处于相对大的IPD的第一位置，并且还示出了调整机构62的附加细节。图4是描绘图3的示例性HMD系统60的立体图，其中HMD系统处于相对小的IPD的第二位置。图像面板，镜子组件和镜头组件的配置与图1和2的实施例中的相同。因此，图3-6中省略了一些相同部件的附图标记(同样在后续图中省略)以便更清楚地识别各种实施例的附加特征。
如图3和图4所示，调整机构62可以被配置为旋钮和螺杆机构，用户通过旋转调整旋钮64来调整IPD，调整旋钮64可操作以旋转配合的调整螺钉66和68。螺纹连接器70和72连接到光学装置并接收调整螺钉66和68，使得光学装置的位置通过调整旋钮64的旋转进行如上所述的调整，这导致HMD系统60的IPD得到调整。如比较图3和图4所示，调整螺钉66和68以及螺纹连接器70和72具有螺纹，使得当调整旋钮旋转时，两个螺纹连接器沿着调整螺钉66和68朝向或远离调整旋钮64移动。可以理解的，旋钮和螺杆调整机构是一个示例，并且可以采用其他合适的调整机构来相对于固定的中央图像面板移动光学装置和周边图像面板。
图5是描绘根据本发明实施例的示例性头戴显示(HMD)系统80的俯视图，其中所述HMD系统处于相对大的IPD的第一位置并且还包括IPD感测模组/调整机构82。图6是描绘图5的示例性HMD系统的俯视图，其中所述HMD系统处于相对小的IPD的第二位置。通常，HMD系统80包括感测模组，如图5和图6所示，可以与调整机构组合成单一部件。或者，感测模组可以作为与调整机构分离的部件结合到HMD系统80中。感测模组包括位置传感器，该位置传感器被配置为测量HMD系统80的调整位置。这种传感器在工业上是众所周知的。对于螺钉安装系统，请参见：
https://www.sensorsmag.com/components/understanding-linear-position- sensing-technologies，以及
https://www.variohm.com/positionsensors/detail.php？sid＝35&did＝Non- Contacting-Linear-Position-Sensors
控制电子器件84从感测模组接收测量的调整位置，并基于所述调整位置确定IPD。然后，控制电子器件确定中央图像面板20的哪个部分构成中央图像面板20的成像部分(例如，第一和第二个图像面板部分32和34)，以及中央图像面板20的哪个部分构成中央图像面板20的非成像或未使用部分52。基于这样的确定，控制电子器件自动更新从中央图像面板射出的图像光，以优化与中央图像面板的成像部分对应的图像。如上所述，对于非共享周边图像面板12和14，不必更新图像光，因为当HMD系统根据IPD调整时，来自周边图像面板的图像光的光路不会改变。
因此，调整HMD系统的IPD的方法包括提供根据任何实施例的HMD系统的步骤，并且在对应不同IPD的第一位置和第二位置之间，通过相对于固定图像面板移动光学装置和可移动图像面板来操作调整机构以调整HMD系统的IPD。对IPD的调整保持了至少一个可移动图像面板的光学路径。该方法还可以包括感测光学装置的调整位置；基于被感测的调整位置决定IPD,以及根据IPD更新中央图像面板发出的图像光。在具有如上所述的成像部分和非成像部分的固定图像面板的背景下，该方法包括更新由固定图像面板发射的图像光以优化与固定图像面板的成像部分对应的图像。
因此，本发明的一个方面，是一种头戴显示(HMD)系统，其具有结合最佳调整机构的增强的图像面板配置。在示例性实施例中，所述HMD系统包括光学装置；至少一个可移动图像面板，其中所述光学装置沿第一光学路径引导来自所述可移动图像面板的图像光；固定图像面板，其中从所述固定图像面板射出的图像光的一部分通过所述光学装置与至少一个可移动图像面板的图像光结合；以及调整机构，其通过使所述光学装置和可移动图像面板相对于所述固定图像面板在对应不同IPD的第一位置和第二位置之间移动来调整HMD系统的瞳孔间距(IPD)。对IPD的调整不改变第一光学路径。所述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。
在所述HMD系统的示例性实施例中，所述固定图像面板包括：成像部分，其定位成发射图像光到所述光学装置中以与来自所述至少一个可移动图像面板的图像光结合，以及非成像部分，其不发射光到所述光学装置中；当所述光学装置处于第一位置时的成像部分与所述光学装置处于第二位置时的成像部分不同；以及当所述光学装置处于第一位置时的非成像部分与所述光学装置处于第二位置时的非成像部分不同。
在所述HMD系统的示例性实施例中，所述可移动图像面板位于所述HMD系统的观看侧，以及所述固定图像面板位于所述HMD系统的非观看侧。
在所述HMD系统的示例性实施例中，所述调整机构包括旋钮和螺杆机构，其包括：调整旋钮，其可操作以旋转配合的调整螺钉；以及螺纹连接器，其连接到所述光学装置并接收所述调整螺钉；所述调整螺钉和螺纹连接器具有螺纹，使得当所述调整旋钮旋转时，所述螺纹连接器沿着所述调整螺钉朝向或远离所述调整旋钮移动。
在所述HMD系统的示例性实施例中，所述HMD系统进一步包括:感测模组，其被配置为测量所述光学装置的调整位置；以及控制电子器件，其被配置为基于测量的调整位置确定IPD，并且基于IPD更新由固定图像面板发射的图像光。
在所述HMD系统的示例性实施例中，所述HMD系统包括：光学装置；第一图像面板，其中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，其中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第二图像面板的图像光；以及中央图像面板，其位于所述第一图像面板和所述第二图像面板之间，所述中央图像面板包括第一面板部分和第二面板部分。所述光学装置沿着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；以及其中所述光学装置被配置成使得来自所述第一图像面板和所述中央图像面板的第一面板部分的光在第一眼睛方向以组合方式从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第二面板部分的光在不同于第一眼睛方向的第二眼睛方向上以组合方式从HMD系统射出。调整机构被配置为通过使所述光学装置、第一图像面板和第二图像面板相对于所述中央图像面板在对应不同IPD的第一位置和第二位置之间移动来调整HMD系统的瞳孔间距(IPD)。对IPD的调整不改变第一光学路径和第二光学路径，并且改变了中央图像面板的第一和第二图像面板部分的位置。
在所述HMD系统的示例性实施例中，所述中央图像面板进一步包括不发射光到所述光学装置中的非成像部分，并且当所述光学装置处于第一位置时的非成像部分与所述光学装置处于第二位置时的非成像部分不同。
在所述HMD系统的示例性实施例中，所述第一图像面板和第二图像面板位于HMD系统的观看侧，并且所述中央图像面板位于HMD系统的非观看侧。
在所述HMD系统的示例性实施例中，所述光学装置包括多个镜子部件和多个透镜部件，其中所述多个镜子部件被配置为将来自所述第一、第二和中央图像面板的图像光沿着相应的光学路径引导到所述多个透镜部件。
在所述HMD系统的示例性实施例中，所述光学装置包括第一镜子组件，其将来自所述第一图像面板的图像光引导到第一透镜部件；所述光学装置包括第二镜子组件，其将来自所述第二图像面板的图像光引导到第二透镜部件；以及所述光学装置还包括第三镜子组件，其包括将来自所述中央图像面板的第一面板部分的图像光引导到第三透镜部件的第三镜子部分，以及将来自中央图像面板的第二面板部分的图像光引导到第四透镜部件的第二镜子部分。
在所述HMD系统的示例性实施例中，所述第一镜组件和第二镜组件各自具有包括多个镜段的折叠配置。
在所述HMD系统的示例性实施例中，所述第三镜子组件包括相遇以形成楔形的第一鼻段和第二鼻段，以及与相应的鼻段间隔开并且平行的第一外部段和第二外部段。
本发明的领一个方面是一种调整HMD系统的瞳孔间距(IPD)的方法，包括以下步骤：提供根据任何一个实施例的HMD系统；以及操作所述调整机构使所述光学装置和可移动图像面板相对于所述固定图像面板在对应不同IPD的第一位置和第二位置之间移动来调整HMD系统的瞳孔间距(IPD)；其中对IPD的调整不改变第一光学路径。所述调整IPD的方法可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个
在调整IPD的方法的一个示例性实施例中，所述方法还包括：感测所述光学装置的调整位置；基于感测的的调整位置确定IPD；以及基于IPD更新由固定图像面板发射的图像光。
在调整IPD的方法的一个示例性实施例中，所述至少一个可移动图像面板包括周边第一图像面板和周边第二图像面板，所述固定图像面板包括位于所述第一图像面板和第二图像面板之间的中央图像面板；以及操作所述调整机构使所述第一图像面板和第二图像面板相对于所述中央图像面板移动。
在调整IPD的方法的一个示例性实施例中，所述固定图像面板包括第一面板部分和第二面板部分；所述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板部分的光；以及操作所述调整机构改变所述第一面板部分和第二面板部分沿所述固定图像面板的位置。
在调整IPD的方法的一个示例性实施例中，所述固定图像面板包括：成像部分，其定位成发射图像光到所述光学装置中以与来自所述至少一个可移动图像面板的图像光结合，以及非成像部分，其不发射光到所述光学装置中；当所述光学装置处于第一位置时的成像部分与所述光学装置处于第二位置时的成像部分不同；以及当所述光学装置处于第一位置时的非成像部分与所述光学装置处于第二位置时的非成像部分不同。
在调整IPD的方法的一个示例性实施例中，更新由固定图像面板发射的图像光，以优化与固定图像面板的成像部分对应的图像。
尽管已经关于某个实施例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)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，特别是用于实现小而轻的HMD系统。使用本公开制造的硬件在消费和专业市场的虚拟现实(VR)和增强现实(AR)领域可以是有用的。根据本公开制造的HMD系统可以在游戏、娱乐、任务支援、医疗、工业设计、导航、运输、翻译、教育和培训中应用。

Claims (20)

1.一种头戴显示(HMD)系统，其特征在于，包括：
光学装置；
至少一个可移动图像面板，其中所述光学装置沿第一光学路径引导来自所述可移动图像面板的图像光；
固定图像面板，其中从所述固定图像面板射出的图像光的一部分通过所述光学装置与至少一个可移动图像面板的图像光结合；以及
调整机构，其被配置为通过使所述光学装置和可移动图像面板相对于所述固定图像面板在对应不同瞳孔间距(IPD)的第一位置和第二位置之间移动来调整HMD系统的IPD；
其中对所述IPD的调整不改变第一光学路径。
2.如权利要求1所述的HMD系统，其特征在于，
所述固定图像面板包括：成像部分，其定位成发射图像光到所述光学装置中以与来自所述至少一个可移动图像面板的图像光结合，以及非成像部分，其不发射光到所述光学装置中；
当所述光学装置处于第一位置时的成像部分与所述光学装置处于第二位置时的成像部分不同；以及
当所述光学装置处于第一位置时的非成像部分与所述光学装置处于第二位置时的非成像部分不同。
3.如权利要求1-2中任意一项所述的HMD系统，其特征在于，所述可移动图像面板位于所述HMD系统的观看侧，以及所述固定图像面板位于所述HMD系统的非观看侧。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的HMD系统，其特征在于，所述调整机构包括旋钮和螺杆机构，其包括：
调整旋钮，其可操作以旋转配合的调整螺钉；以及
螺纹连接器，其连接到所述光学装置并接收所述调整螺钉；
所述调整螺钉和螺纹连接器具有螺纹，使得当所述调整旋钮旋转时，所述螺纹连接器沿着所述调整螺钉朝向或远离所述调整旋钮移动。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的HMD系统，其特征在于，进一步包括:
感测模组，其被配置为测量所述光学装置的调整位置；以及
控制电子器件，其被配置为基于测量的调整位置确定IPD，并且基于IPD更新由固定图像面板发射的图像光。
6.一种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，其中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第二图像面板的图像光；
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，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着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；以及
其中所述光学装置被配置成使得来自所述第一图像面板和所述中央图像面板的第一面板部分的光在第一眼睛方向以组合方式从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第二面板部分的光在不同于第一眼睛方向的第二眼睛方向上以组合方式从HMD系统射出；
调整机构，其被配置为通过使所述光学装置、第一图像面板和第二图像面板相对于所述中央图像面板在对应不同瞳孔间距(IPD)的第一位置和第二位置之间移动来调整HMD系统的IPD；
其中，对所述IPD的调整不改变第一光学路径和第二光学路径，并且改变了所述中央图像面板的所述第一图像面板和所述第二图像面板部分的位置。
7.如权利要求6所述的HMD系统，其特征在于，所述中央图像面板进一步包括不发射光到所述光学装置中的非成像部分，并且当所述光学装置处于第一位置时的非成像部分与所述光学装置处于第二位置时的非成像部分不同。
8.如权利要求6-7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。
9.如权利要求6-8中任意一项所述的HMD系统，其特征在于，所述调整机构包括旋钮和螺杆机构，其包括：
调整旋钮，其可操作以旋转配合的调整螺钉；以及
螺纹连接器，其连接到所述光学装置并接收所述调整螺钉；
所述调整螺钉和螺纹连接器具有螺纹，使得当所述调整旋钮旋转时，所述螺纹连接器沿着所述调整螺钉朝向或远离所述调整旋钮移动。
10.如权利要求6-9中任意一项所述的HMD系统，其特征在于，进一步包括:
感测模组，其被配置为测量所述光学装置的调整位置；以及
控制电子器件，其被配置为基于测量的调整位置确定IPD，并且基于IPD更新由中央图像面板发射的图像光。
11.如权利要求6-10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子部件和多个透镜部件，其中所述多个镜子部件被配置为将来自所述第一图像面板、第二图像面板和中央图像面板的图像光沿着相应的光学路径引导到所述多个透镜部件。
12.如权利要求11所述的HMD系统，其特征在于，
所述光学装置包括第一镜子组件，其将来自所述第一图像面板的图像光引导到第一透镜部件；
所述光学装置包括第二镜子组件，其将来自所述第二图像面板的图像光引导到第二透镜部件；以及
所述光学装置还包括第三镜子组件，其包括将来自所述中央图像面板的第一面板部分的图像光引导到第三透镜部件的第一镜子部分，以及将来自中央图像面板的第二面板部分的图像光引导到第四透镜部件的第二镜子部分。
13.如权利要求12所述的HMD系统，其特征在于，所述第一镜组件和第二镜组件各自具有包括多个镜段的折叠配置。
14.如权利要求12-13中任意一项所述的HMD系统，其中，所述第三镜子组件包括相遇以形成楔形的第一鼻段和第二鼻段，与第一鼻段间隔开并且平行的第一外部段，以及与第二鼻段间隔开并且平行的第二外部段。
15.一种头戴显示(HMD)系统的瞳孔间距(IPD)的调整方法，包括以下步骤：
提供一种包括光学装置的HMD系统；至少一个可移动图像面板，其中所述光学装置沿第一光学路径引导来自所述可移动图像面板的图像光；固定图像面板，其中从固定图像面板射出的图像光的一部分通过光学装置与所述至少一个可移动图像面板的图像光结合；以及调整机构；以及
操作所述调整机构使所述光学装置和可移动图像面板相对于所述固定图像面板在对应不同瞳孔间距(IPD)的第一位置和第二位置之间移动来调整HMD系统的IPD；
其中对IPD的调整不改变第一光学路径。
16.如权利要求15所述的IPD的调整方法，还包括：
感测所述光学装置的调整位置；
基于感测的的调整位置确定IPD；以及
基于IPD更新由固定图像面板发射的图像光。
17.如权利要求15-16中任一项所述的IPD的调整方法，其中：
所述至少一个可移动图像面板包括周边第一图像面板和周边第二图像面板，所述固定图像面板包括位于所述第一图像面板和第二图像面板之间的中央图像面板；以及
操作所述调整机构使所述第一图像面板和第二图像面板相对于所述中央图像面板移动。
18.如权利要求15-17中任一项所述的IPD的调整方法，其中：
所述固定图像面板包括第一面板部分和第二面板部分；
所述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板部分的光；以及
操作所述调整机构改变所述第一面板部分和第二面板部分沿所述固定图像面板的位置。
19.如权利要求16-18中任一项所述的IPD的调整方法，其中：
所述固定图像面板包括：成像部分，其定位成发射图像光到所述光学装置中以与来自所述至少一个可移动图像面板的图像光结合，以及非成像部分，其不发射光到所述光学装置中；
当所述光学装置处于第一位置时的成像部分与所述光学装置处于第二位置时的成像部分不同；以及
当所述光学装置处于第一位置时的非成像部分与所述光学装置处于第二位置时的非成像部分不同。
20.如权利要求19所述的IPD的调整方法，还包括：更新由固定图像面板发射的图像光，以优化与固定图像面板的成像部分对应的图像。
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