CN110376734B - 单面板头戴式显示器 - Google Patents

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Abstract

这里公开了一种头戴式显示设备，包括显示屏和光学块。该光学块被配置为在一时刻向该头戴式显示设备的用户的左眼呈现由该显示屏生成的图像的整体的第一移位版本。该图像的第一移位版本具有与该显示屏的中心不同的第一感知中心位置。该光学块还被配置为在该时刻向该头戴式显示设备的用户的右眼呈现由该显示屏生成的图像的整体的第二移位版本，该图像的第二移位版本具有与该显示屏的中心不同并且与该第一感知中心位置不同的第二感知中心位置。

Description

单面板头戴式显示器
技术领域
本发明涉及单面板头戴式显示器。
背景技术
头戴式显示器(HMD)允许用户通过一副眼镜、护目镜或可穿戴式耳机来观察图像或视频信号。能使用HMD来仿真各种虚拟环境。例如，HMD可以包括一个或多个电子显示器，其上能显示立体图像以仿真深度错觉，并且能使用头部或眼睛跟踪传感器来估计用户正在观看虚拟环境的哪个部分。
辐辏(vergence)是人的双眼沿着相反的方向同时移动或旋转，以保持单一双眼(binocular)视觉。人眼自然并自动地执行辐辏。调节是随着对象和观看者之间的距离变化、眼睛改变其光焦度(optical power)以聚焦在对象上的过程。当人们观看真实世界的对象时，人正注视的位置就是人的眼睛辐辏(verge)的地方，并且通常也是人的眼睛聚焦的地方。在这种情况下，调节过程导致观看者的眼睛辐辏的距离(辐辏距离)与观看者的眼睛聚焦的距离(焦距)相匹配。
对于HMD的用户能出现辐辏距离与焦距之间的不匹配。因为期望HMD紧凑，所以HMD的显示屏通常位于与用户眼睛相当接近的位置。但是，当显示屏呈现三维虚拟对象时，该对象似乎位于显示屏的表面后方的一段距离处。因此，尽管用户的眼睛聚焦在显示屏的表面上，但是它们在与三维虚拟对象的位置对应的屏幕表面后方的一位置上辐辏。由于该示例中的辐辏距离与焦距不同，所以结果是辐辏调节冲突，这能引起不适，包括视觉疲劳和恶心。
因此，存在对于减轻辐辏和调节之间的冲突的HMD的持续需求。
发明内容
这里公开了使用新颖光学器件减轻辐辏调节冲突的单面板HMD的实施例。不同于向左眼和右眼呈现单独但相同的图像的传统HMD，这里公开的HMD允许将相同的图像呈现给双眼。独特的光学块将用于左眼和右眼的图像的感知中心移位到降低辐辏调节冲突的位置。
在一些实施例中，一种HMD设备包括显示屏和光学块。在一时刻，该光学块被配置为向观看者的左眼呈现由该显示屏生成的图像的整体的第一移位版本，其中该显示屏一次仅生成一个图像。该图像的第一移位版本具有与显示屏的中心不同的第一感知中心位置。在同一时刻，该光学块被配置为向该观看者的右眼呈现由该显示屏生成的图像的整体的第二移位版本。该图像的第二移位版本具有与显示屏的中心不同并且与该第一感知中心位置不同的第二感知中心位置。在一些实施例中，所述显示屏和所述光学块之间的距离小于大约25cm。
在一些实施例中，所述光学块包括具有第一弯曲表面和第一平坦表面的第一光学组件、以及具有第二弯曲表面和第二平坦表面的第二光学组件。在一些这样的实施例中，第一和第二光学组件相同。在一些实施例中，所述第一和第二弯曲表面被定位成面对所述HMD设备的用户。在其它实施例中，所述第一和第二平坦表面被定位成面对所述头戴式显示设备的用户。在其中至少一个光学组件包括弯曲表面的一些实施例中，该弯曲表面遵循具有大约100和大约115mm之间的半径的圆弧。
在一些实施例中，所述第一或第二光学组件的长度在大约32mm和大约38mm之间。在一些实施例中，所述第一或第二光学组件的宽度在大约18mm和大约22mm之间。
在一些实施例中，所述光学块包括：具有至少一个具有光焦度的表面的透镜；和光劈。所述光劈和所述透镜可被包括在单片单元中，或者它们可以是单独的组件。在一些实施例中，所述光学块包括棱镜、衍射表面、校正透镜、或反射镜。
在一些实施例中，该HMD设备还包括被配置为移动该光学块的致动器。如果存在的话，所述致动器可使得观看者能够移动所述光学块。如果存在的话，所述致动器可被配置为沿着与中心线平行和/或正交的方向移动所述光学块的至少一部分。如果存在的话，所述致动器可被配置为相对于所述光学块的第二部分移动所述光学块的第一部分。如果存在的话，所述致动器可被配置为旋转所述光学块的至少一部分。如果存在的话，所述致动器可包括机械组件，所述机械组件被配置为使得该HMD设备的用户能够调整所述光学块的第一部分与所述光学块的第二部分之间和/或所述光学块的至少一部分与所述显示屏之间的距离。
在包括致动器的一些实施例中，该HMD设备进一步包括与该致动器耦合的处理器，其中该处理器被配置为运行一个或多个指令，所述指令当运行时，促使该处理器命令该致动器移动该光学块。
在一些实施例中，所述第一感知中心位置对应于第一辐辏角并且所述第二感知中心位置对应于第二辐辏角，所述第一和第二辐辏角中的每一个小于与显示屏的中心对应的聚焦角。在一些这样的实施例中，所述第一和第二辐辏角基本上相同。
在一些实施例中，所述光学块与所述显示屏之间的距离在大约50mm与大约250mm之间。在一些实施例中，所述光学块包括第一和第二部分，并且该光学块的第一和第二部分之间的距离在大约55mm与大约75mm之间。
在一些实施例中，该HMD设备进一步包括：视差屏障，布置在所述显示屏和所述光学块之间。在一些这样的实施例中，所述视差屏障包括狭缝、液晶显示器或透镜状显示器。
在一些实施例中，一种HMD设备包括：显示屏；第一光学组件，包括第一弯曲表面和与所述第一弯曲表面相对的第一平坦表面；和第二光学组件，包括第二弯曲表面和与所述第二弯曲表面相对的第二平坦表面。在一些这样的实施例中，该第一平坦表面被定位成面对头戴式显示设备的用户的左眼，该第二平坦表面被定位成面对头戴式显示设备的用户的右眼，并且所述第一和第二光学组件之间的距离是用户可调整的。在一些这样的实施例中，所述第一光学组件被配置为在一时刻向所述头戴式显示设备的用户的左眼呈现由所述显示屏生成的图像的整体的第一移位版本，该显示屏生成的图像是显示屏在该时刻生成的唯一图像，该图像的第一移位版本具有与显示屏的中心不同的第一感知中心位置，并且所述第二光学组件被配置为在该时刻向该头戴式显示设备的用户的右眼呈现由该显示屏生成的图像的整体的第二移位版本，该图像的第二移位版本具有与显示屏的中心不同并且与该第一感知中心位置不同的第二感知中心位置。
在一些实施例中，一种HMD设备包括：显示屏；第一光学组件，包括第一弯曲表面和与所述第一弯曲表面相对的第一平坦表面；和第二光学组件，包括第二弯曲表面和与所述第二弯曲表面相对的第二平坦表面，其中该第一弯曲表面被定位成面对头戴式显示设备的用户的左眼，该第二弯曲表面被定位成面对头戴式显示设备的用户的右眼，并且所述第一和第二光学组件之间的距离是用户可调整的。在一些这样的实施例中，所述第一光学组件被配置为在一时刻向所述头戴式显示设备的用户的左眼呈现由所述显示屏生成的图像的整体的第一移位版本，该显示屏生成的图像是显示屏在该时刻生成的唯一图像，该图像的第一移位版本具有与显示屏的中心不同的第一感知中心位置，并且所述第二光学组件被配置为在该时刻向该头戴式显示设备的用户的右眼呈现由该显示屏生成的图像的整体的第二移位版本，该图像的第二移位版本具有与显示屏的中心不同并且与该第一感知中心位置不同的第二感知中心位置。
附图说明
根据结合附图进行的某些实施例的以下描述，本公开的目的、特征和优点将容易地显而易见，其中：
图1A和1B图示了当观看真实世界中的对象时、人眼如何经历辐辏和调节。
图1C示出了利用一些现有技术三维显示器时能出现的辐辏和调节之间的示例冲突。
图2A图示了使用两个透镜形式的传统光学器件的现有技术HMD的一些组件。
图2B图示了根据一些实施例的、这里公开的新颖光学块如何降低辐辏调节冲突。
图3A和3B图示了根据一些实施例的、光学块如何通过移位在用于左眼和右眼两者的显示屏上渲染的图像的感知中心、而降低辐辏角α和聚焦角β之间的差异。
图4A到4I提供了根据一些实施例的、光学块的光学组件的各个视图。
图5图示了根据一些实施例的光学块对观看者的体验的总体影响。
图6A和6B图示了光学块的左眼和右眼部分的相对位置如何影响、观看者如何感知与显示屏所渲染的虚拟图像的距离和辐辏角α。
图7A和7B图示了根据一些实施例的包含光学块的示范HMD的一部分。
图8是图示了根据一些实施例的HMD的框图。
图9图示了根据一些实施例的视差屏障。
具体实施方式
结合附图，下面阐述的详细描述意欲作为各个实施例的描述，并且不意欲仅代表其中可实践这里描述的构思的配置或实施例。这些详细描述包括用于提供各个构思的全面理解的特定细节。对于本领域技术人员将显然的是，可在没有这些特定细节的情况下实践这些构思。在一些实例中，按照框图形式示出了公知结构和组件，以便避免使得这些构思模糊。
图1A和1B图示了当观看真实世界中的对象时、人眼如何经历辐辏和调节。在典型条件下，当人注视真实对象时，眼睛聚焦以注视特定距离处的对象。当对象移动靠近(例如，图1B)或远离(例如，图1A)时，眼睛自动旋转并改变焦点，这引起辐辏和调节。在图1A的示例中，用户正注视特定距离处的真实对象10。用户的眼睛15A、15B在真实对象10上辐辏，并且来自用户的眼睛15A、15B的视线(如虚线所示)在真实对象10上交叉。如图1B中所示，当真实对象10和人之间的距离减小时，每一只眼睛15A、15B向内旋转以保持辐辏在真实对象10上。当真实对象10靠得更近时，眼睛15A、15B通过降低他们的光焦度或焦距(伴随改变每一眼睛的形状)而调节用于更近距离。由此，当人观看真实世界对象时，辐辏距离典型地等于焦距。观看者自动地和下意识地调整眼睛的辐辏以注视对象，并且眼睛聚焦以加强(sharpen)视网膜图像。因为自然观看的紧密相关，所以辐辏和调节是神经耦合的。调节改变唤起(evoke)辐辏的改变(调节辐辏)，并且辐辏改变唤起调节的改变(辐辏调节)。
图1C示出了利用一些现有技术三维显示器时能出现的辐辏和调节之间的示例冲突，诸如在向左眼和右眼呈现相同单一图像的现有HMD中的那些。HMD一般包括显示屏20(例如像素阵列)以及位于眼睛和显示屏之间的光学器件(即，在每一眼睛前方)以形成近眼显示。在图1C中图示的示例中，HMD的用户正注视虚拟对象25，其由显示屏20渲染。每一眼睛15A、15B向内旋转以保持辐辏在虚拟对象25上，其看上去在显示屏20的表面后方的一距离处，如图1C中的长虚视线所示。特别是，每一眼睛15相对于直行(straight-ahead)方向向内旋转辐辏角α。但是因为用户正注视并聚焦在显示屏20的表面上，所以每一眼睛15A、15B的焦距小于从观看者到虚拟对象25的视在距离，并且相对于当眼睛15A、15B向前注视远处对象时，聚焦角β大于辐辏角α。结果，焦距35是从眼睛15A、15B到显示屏20的距离，而辐辏距离30取决于显示屏20正渲染的虚拟对象25的视在位置改变。为了清楚且没有复视地看到虚拟对象25，用户必须抵消辐辏和调节之间的神经耦合，以调节到与眼睛辐辏的辐辏距离30不同的焦距35。辐辏距离30和焦距35之间的差异被称为“辐辏调节冲突”。经历辐辏调节冲突的用户可最终经历一些程度的疲劳和/或恶心，因为用户尝试适当调整辐辏和调节。不舒服发作的严重程度或迅速程度趋于与辐辏角α和聚焦角β之间的差异成比例增加。所以，期望至少降低辐辏角α和聚焦角β之间的差异。
HMD中减轻辐辏调节冲突的一种方案是通过向左眼15A和右眼15B呈现单独图像，而本质上创建用于用户眼睛15A、15B的每一个的隔离观看环境。向观看者呈现两个近眼显示器，即，一个用于左眼15A而另一个用于右眼15B。每一眼睛15A、15B聚焦在其近眼显示器上。眼睛15A、15B然后看见两个偏移图像，其光学路径交叉以形成三维图像。典型地，使用一个微显示器(例如，OLED、LCOS等)或便携式显示器(例如，被分离为两个部分的智能电话屏幕等)作为图像源，连同合适光学器件一起以形成每一眼睛可观看的单独虚拟图像。使用显示屏20的像素的一半以向左眼15A呈现图像，并且使用像素的另一半以向右眼15B呈现图像。物理屏障防止左眼和右眼15A、15B看见向另一只眼睛呈现的图像。通过彼此隔离眼睛15A、15B，该方案通过降低聚焦角β使得其与辐辏角α更严密匹配，而减轻辐辏调节冲突。但是因为显示屏20必须向左眼15A和右眼15B呈现单独图像，所以该方案事实上使得显示屏20的分辨率减半。此外，需要附加处理来生成这两个图像。
这里公开了HMD实施例，其减轻辐辏调节冲突，但是没有使用单面板显示器的传统HMD的分辨率或处理需求的缺陷。与现有技术的方案不同，这里公开的实施例不需要生成单独的图像并将其显示给用户的左眼和右眼。相反，相同的单一图像呈现给两只眼睛，并且新颖的光学器件移位每只眼睛感知到图像的中心的位置，这降低由于焦距和辐辏距离之间的差异以及辐辏角α和聚焦角β之间的差异所引起的不舒服。因此，这里公开的实施例提供比现有技术单面板HMD具有更高分辨率图像的HMD，并且不需要传统单面板HMD的附加处理来为左眼和右眼生成单独图像。
在一些实施例中，布置在用户的眼睛与单面板显示器之间的光学块的一个或多个特性(例如，光焦度)能由用户或者自动地动态调整，以降低辐辏角α和聚焦角β之间的差异，由此减轻辐辏调节冲突。在一些实施例中，光学块的左眼和右眼部分的各方面被解耦(decoupled)，并且可以被个别地调整。
图2A图示了使用两个透镜80形式的传统光学器件的现有技术HMD的一些组件。如图2A所示，每个透镜80位于用户的眼睛15A、15B之一与显示屏20之间。假设观看者集中在显示屏20的中心的对象上，则透镜80导致双眼聚焦于显示屏20的相同点上，即中心。因此，利用传统光学器件由左眼15A感知的显示屏20的中心的位置是显示屏20的实际中心，并且利用传统光学器件由右眼15B感知的显示屏20的中心的位置也是显示屏20的实际中心。
图2B图示了根据一些实施例的使用新颖光学块105的HMD的一些组件。这里公开的光学块105通过对于每个观看者的眼睛移位显示屏20的中心的感知位置，来降低辐辏调节冲突。如图2B中所示，光学块105的第一部分105A移位其中左眼15A感知显示屏20的中心的位置。具体地，第一部分105A将显示屏20的感知中心移位到其实际位置的左侧(即，参考图2B中所示的x-y轴，在垂直于中心线122的+y方向上)的距离115A。类似地，光学块105的第二部分105B移位右眼15B感知显示屏20的中心的位置。具体地，光学块105的第二部分105B将显示屏20的感知中心移位到其实际位置的右侧(即，参考图2B中所示的x-y轴，在垂直于中心线122的-y方向上)的距离115B。结果，并且如结合图3A和3B进一步解释的那样，辐辏角减小。
图3A和3B图示了这里公开的光学块105如何通过移位对于左眼15A和右眼15B两者在显示屏20上渲染的图像的感知中心、来降低辐辏角α和聚焦角β之间的差异。在图3A中图示的实施例中，光学块105包括用于左眼的105A和用于右眼的105B两个部分，其中部分105A、105B中的每一个可以包括一个或多个光学组件，例如透镜，光劈(wedge)等等。在一些实施例中，两个部分105A、105B中的一个或两个包括光劈和具有至少一个具有光焦度的表面的透镜。在这样的实施例中，透镜和光劈可以是分离的组件，或者它们可以是单一单片组件。
在图3A和3B的示例中，显示屏20实际上在显示屏20的中心处渲染虚拟对象25。(图3A和3B将虚拟对象25图示为在显示屏20的稍微前方，以使得移位的虚拟对象25A、25B的位置能被清楚看到。)但是，如图3A中所示，光学块105移位左眼和右眼15A、15B中的每一个在哪里感知到虚拟对象25的位置。具体地，通过光学块105的第一部分105A，左眼15A感知到显示屏20所呈现的图像的移位的中心位置。结果，假定位于图像的中心的对象25向左移位距离40A并且作为对象25A出现。同样，通过光学块105的第二部分105B，右眼15B感知由显示屏20所呈现的图像的移位的中心位置。结果，对象25向中心右侧移位距离40B并作为对象25B出现。在一个实施例中，虚拟对象25与观看者的感知距离约为500毫米。
图3B是图3A的右侧部分的近视图，以图示移位的感知中心位置对聚焦角β的影响。由于由光学块105引起的感知移位，所以聚焦角β和辐辏角α之间的偏差在图3B中相对于图1C中所示的现有技术示例降低。
应该注意的是，尽管图3A和3B图示了光学块105的第一和第二部分105A、105B是相同的并且关于中心线122对称地布置，并且因此导致移位的幅度对于左眼和右眼15A、15B相同，但是左眼的聚焦角β不需要与右眼的聚焦角β相同。例如，如果聚焦角不精确相同，则一些用户可能具有关于HMD的更舒适的体验。光学块105的第一和第二部分105A、105B可以在其特性(例如，光焦度)和/或位置(例如，相对于中心线122的布局、与用户的距离等)方面不同。
此外，应该认识到，不需要使得辐辏角α和聚焦角β相同，以改善用户的观看体验。换句话说，光学块105没有必要完全消除用于左眼15A或右眼15B的辐辏角α和聚焦角β之间的差异，并由此完全消除辐辏调节冲突。光学块105为每只眼睛提供了降低辐辏角α和聚焦角β之间的差异的机制，并且由此通过至少降低辐辏调节冲突，而提供更舒适的观看体验。
如图3A中所示，第一部分105A与显示屏20之间的距离为110A，并且第二部分105B与显示屏20之间的距离为110B。在一些实施例中，每个距离110A、110B小于大约25cm。例如，在一些实施例中，距离110A、110B在大约50mm和大约250mm之间。在特定实施例中，距离110A、110B大约为160mm，这为在至少1米的感知距离处呈现的虚拟对象提供舒适的观看体验。
虽然图3A图示了光学块105的第一和第二部分105A、105B与显示屏20相距大致相同的距离(即，距离110A大致等于距离110B)，但是距离110A和110B不需要相同。例如，如果距离110A和110B不同，则一些观看者可能具有更舒适的观看体验。在一些实施例中，距离110A、110B是可调整的。例如，用户可能能够手动调整距离110A、110B中的一个或两个。
与现有技术的方案不同，光学块105允许显示屏20向双眼15A、15B呈现单个高分辨率图像。图像光的放大可以增加所显示的内容的视野。例如，所显示内容的视野可以使得使用几乎全部(例如，150度对角线)，以及在一些情况下全部，用户的视野，来呈现所显示的内容。
如上所解释的，可以使用新颖的光学块105来实现由显示屏20呈现的图像的中心的位置的感知移位。图4A至4I提供了根据一些实施例可以使用的光学块105的示例性光学组件106的各种视图。如图4A至4I中所示，在一些实施例中，光学组件106具有楔形形状。
图4A和4B是示例性光学组件106的透视图。图4A是示出光学组件106的表面106A的顶部前视图。在图4A所图示的光学组件106的实施例中，表面106A具有曲率。在一些实施例中，当安装在HMD中时，表面106A被定向为远离HMD的佩戴者。在其他实施例中，当安装在HMD中时，表面106A被定向为朝向HMD的佩戴者。发明人的测试已证实，当表面106A背向HMD的佩戴者时、以及当光学组件106围绕水平轴翻转使得表面106A面向HMD的佩戴者时，图4A至4I中图示的示例性光学组件106都能很好工作用于其预期目的。
图4B是示出光学组件106的表面106B的底部后视图。表面106B在光学组件106的与表面106A相对的一侧上。在图4B所示的光学组件106的示例性实施例中，表面106B基本上平坦。在其他实施例中，表面106B具有可与表面106A的曲率相似、相同或不同的曲率。在一些实施例中，当安装在HMD中时，表面106B被定向为朝向HMD的佩戴者。在其他实施例中，当安装在HMD中时，表面106B被定向为远离HMD的佩戴者。如以上所解释的，发明人的测试已经证实，当表面106B背向HMD的佩戴者时、以及当光学组件106围绕水平轴翻转使得表面106B面向HMD的佩戴者时，图4A至4I中图示的示例性光学组件106都能很好工作用于其预期目的。
图4C是光学组件106的顶视图(即，垂直(straight on)观看表面106A)。除了表面106A之外，图4C示出侧表面106C、106D、106E和106F。如图4C所示，光学组件106具有长度107(对应于侧表面106E和106F的长度)和宽度108(对应于侧表面106C和106D)，它们可具有任何合适的值。例如，在一些HMD实施例中，长度107在大约32和38mm之间，并且宽度108在大约18和22mm之间。
如图图4A至4C所示，侧表面106E和106F中的一个或两个可以包括一个或多个突出凸片(tabs)或凸缘(lips)，其促进光学组件106保持在例如HMD中的适当位置。可替换地或附加地，侧表面106C和/或106D可以包括一个或多个突出凸片或凸缘。可替换地或附加地，侧表面106C、106D、106E或106F中的任何一个可以包括缝、凹槽、孔、突起或任何其他结构特征，以促进将光学组件106附接到HMD或其他壳体。
图4D是图4C中通过标记为4D-4D的虚线截取的光学组件106的截面图。图4D示出了表面106A、106B、106C和106D。如图4D(和图4A)所示，在一些实施例中，表面106A具有曲率。在一些实施例中，包括图4D的示例性实施例，表面106A的曲率可以表征为圆弧，其中该圆具有半径(在图4D中标记为“R”)109。在一些这样的实施例中，半径109在大约100和115mm之间。
图4E和4F分别是示例性光学组件106的后视图和前视图，并且图4G和4H分别是示例性光学组件106的左视图和右视图。图4E至4H图示了光学组件106的各个表面106A、106B、106C、106D、106E和106F、以及在该示例性实施例中提供的突出凸片或凸缘的位置。图4I是示例性光学组件106的底视图。
光学组件106可以由导致光学组件106提供这里描述的特性的任何合适的材料制成。例如，光学组件106可以包括玻璃、塑料、聚碳酸酯、萤石、zeonex或甚至液体界面。
光学组件106可以是单片式组件(即，由单片组成；实心或完整)，或者其可以包括耦合在一起(即，直接附接或通过一个或多个中间组件连接在一起)的多个组件。例如，光学组件106可以是单一的楔形件。作为另一示例，光学组件106可以包括楔形部分和具有某种其他形状的单独部分(例如，透镜)。如果包括，则楔形件或部分可以包括一个或多个弯曲表面(例如，如图4A至4I的示例性实施例所示的表面106A)，或者其可以包括一个或多个线型表面(例如，如图4A至4I的示例性实施例中所示的表面106B)。
而且，当光学组件106包括多于一个元件时，所述多个元件可以具有不同的光学属性。例如，光学组件106可以包括以下中的一个或多个：孔径、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤光片等等，所有这些都可以具有不同的光学属性。
在一些实施例中，光学块105包括棱镜，该棱镜可以是例如三棱镜或具有使光折射的平坦抛光表面的任何其他透明光学元件。
在一些实施例中，光学块105包括衍射光学元件(例如，衍射透镜、菲涅耳透镜、开诺全息图、相控菲涅耳透镜、全息光学元件、二元光学器件、菲涅耳波带片、混合透镜(例如，具有组合的折射和衍射功率)等)。
在一些实施例中，光学块105包括校正透镜(例如，非球面、双焦点、三焦点、高折射率、光致变色、偏振、聚碳酸酯、渐进等)。在一些实施例中，光学块105包括反射镜。在一些实施例中，光学块105(例如，光学组件106)的一个或多个光学元件可以具有一个或多个涂层(例如，抗反射、减少蓝光、抗划伤、UV保护等)。
图2B和3A中图示的光学块105的第一和第二部分105A、105B可以包括光学组件106，其可以是图4A至4I中图示的示例性光学组件106。应当认识到，如上所述，在各种实施例中，光学块105可以包括除了光学组件106之外的组件。此外，光学块105可以包括光学组件106中的多于一个。例如，第一和第二部分105A、105B中的每一个可以包括单独的光学组件106。这些单独的光学组件106中的每一个可以是相同的，或者它们可以是不同的。例如，可以为左眼和右眼15A、15B提供不同的光学组件106，以调节左眼和右眼15A、15B之间的差异(例如，散光、近视等)。
图5图示了根据一些实施例的光学块105对观看者体验的整体影响。显示屏20位于与观看者的眼睛15A、15B相距距离120处(这是观看者的眼睛15A、15B聚焦的地方)。但是因为光学块105移位了左眼和右眼15A、15B感知的显示屏20的中心的位置，所以显示屏20的感知位置与观看者眼睛15A、15B相距距离125。
观看者与显示屏20之间的感知距离125能以多种方式调整。例如，在一些实施例中，图像在显示屏20上的感知位置的移位量取决于光学块105的第一和第二部分105A、105B相对于观看者的眼睛15A、15B的位置。在一些这样的实施例中，光学块105的第一和第二部分105A、105B之间的距离能被调整以改变观看者和显示屏20之间的感知距离125。换言之，一些或全部光学块105可以沿着与显示屏20平行的方向(即，与中心线122大致正交)移动。例如，利用图5中所示的光学块105，减小第一和第二部分105A、105B之间的距离(即，移动一个或两个更靠近中心线122)降低辐辏角α，因为与显示屏20的感知距离增加。相反，增加第一和第二部分105A、105B之间的距离增大辐辏角α。在光学块105的其它实施例中，第一和第二部分105A、105B的特性使得：减小第一和第二部分105A、105B之间的距离降低了辐辏角α，并且增加第一和第二部分105A、105B之间的距离增大了辐辏角α。在其中可以调整第一和第二部分105A、105B之间的距离的实施例中，第一部分105A可以相对于第二部分105B移动，或者第二部分105B可以相对于第一部分105A移动，或者两个部分105A、105B可以独立移动。
图6A和6B图示了一些实施例中的光学块105的左眼和右眼部分沿着y轴(即，与中心线122正交)的相对位置如何影响观看者如何感知与显示屏20所渲染的虚拟图像的距离和辐辏角α。为了清楚起见，图6A和6B仅示出用于左眼15A的光学块105的部分。如本领域技术人员将理解的，该解释也适用于用于右眼15B的光学块105的部分。在图6A和6B所示的实施例中，光学块105的左眼部分是左部分105A，其可以是例如在图4A至4I的上下文中描述的光学组件106，表面106A面对观看者。在图6A中，光学组件106处于沿着y轴的第一位置，并且结果，观看者感知到由显示屏20渲染的图像处于距观看者的眼睛15A的距离125A处。当光学组件106处于所示位置时，辐辏角为α1。在图6B中，光学组件106处于沿着y轴的第二位置。在第二位置中，光学组件106比图6A中更靠近中心线122，并且结果，观看者将由显示屏20渲染的图像的位置感知为距观看者的眼睛15A的距离125B，其中距离125B超过距离125A。当光学组件106处于所示位置时，辐辏角是α2，其小于辐辏角α1。通过调整光学组件106与中心线122的距离(并且因此，调整其相对于观看者的眼睛的位置)，观看者能调整由显示屏20渲染的用于左眼15A的图像的感知位置。类似地，在一些实施例中，观看者能调整中心线122与HMD的光学块105的右眼光学部分之间的距离。
作为可如何调整所感知的图像距离的另一示例，在一些实施例中，能调整光学块105的一个或多个组件的光学属性以增加或减小辐辏角α。在一些实施例中，光学块105中的一些或全部(例如，一个或多个光学组件106)的焦点也能够或可替换地独立改变。
图7A和7B图示了根据一些实施例的包含光学块105的示例性HMD 100的部分。如图7A和7B所示，光学块105包括两个部分105A、105B，一个用于观看者的左眼和右眼15A、15B中的每一个。部分105A、105B可以包括例如在图4A至4I的上下文中描述的光学组件106。如图7A和7B所示，部分105A、105B中的每一个包括面向外的表面(图7A)和面向内的表面(图7B)。在图7A和7B的实施例中，面向外的表面具有曲率，并且面向内的表面是平坦的。如之前所解释的，发明人的测试已经证实，当弯曲表面106A是面向内的表面并且平坦表面106B是面向外的表面时(例如，如图2B、3A、5、6A和6B所示)，图4A至4I中图示的示例性光学组件106也很好工作用于其预期目的。
在一些实施例中，HMD 100包括致动器，该致动器被配置为接收控制信号，并且作为响应，通过独立于第二部分105B移动第一部分105A、或者通过将两个部分105A、105B一起移动，而移动光学块105的至少一部分。该控制信号可以是例如电压或电流、气压或液压、或人力。当接收到控制信号时，致动器130通过将能量转换成机械运动来响应。
图8是HMD 100的框图，其包括光学块105、显示屏20、致动器130和耦合到致动器130的可选处理器140。如果存在，处理器140可以被配置为执行一个或多个指令，所述指令在被执行时，使得处理器140命令致动器130移动光学块105的部分或全部。致动器130可以是例如使得用户能够手动移动光学块105的至少一部分的机械组件。可以提供致动的合适机械组件的示例包括齿条和小齿轮、齿轮、导轨、滑轮和链条。致动器130可以附加地或可替换地包括电气组件。在其中致动器130包括电气组件的实施例中，其可以提供一些或全部光学块105的自动移动(例如，响应于来自处理器140的指令)，或者其可以由用户控制。
在一些实施例中，HMD 100包括致动器130，致动器130使用户能够调整光学块105的一个或多个方面，以定制用户的观看体验。例如，致动器130可以包括瞳孔间距离(IPD)滑块，其允许用户调整光学块105的第一和第二部分105A、105B之间的距离(即，在与中心线122正交的方向上)。在一些实施例中，用户可以将光学块105的第一和第二部分105A、105B之间的距离调整为在每个目镜的光学中心之间的大约55mm至大约75mm的间隔的范围内。
在一些实施例中，可以使用致动器130(例如，如上所述的机械组件、机电组件等)来调整用户的眼睛与光学块105之间的距离。致动器130可以是与上述相同的致动器130或单独的致动器130。在一些实施例中，致动器130被配置为在与显示屏20正交并且与中心线122平行的方向上移动光学块105(或部分105A、105B中的一个或两个)。例如，整个光学块105可以被移动以调整距离110A、110B(图3A)，或者第一和/或第二部分105A、105B可以独立移动，以调整距离110A、110B中的一个或两个。
在一些实施例中，致动器130被配置为旋转光学块105的一些或全部。
在一些实施例中，HMD 100包括处理器140，处理器140被配置为执行一个或多个指令，所述指令在被执行时，引起光学块105的属性的改变。例如，处理器140可以改变光学块105的部分或全部的位置、朝向、IPD、折射率、厚度或导磁率。
这里描述的光学块105已经被构建和验证以为各种用户工作。
在一些实施例中，显示屏20包括视差屏障。视差屏障可以是例如液晶显示器(LCD)，其中晶体能创建指引(channel)光的屏障。在一些这样的实施例中，可以调整视差屏障中的晶体的布局和宽度，使得向左眼和右眼提供不同的图像。
在一些实施例中，视差屏障包括透镜状显示器。例如，视差屏障可以包括用于将不同图像引导到左眼和右眼的脊形表面。在一些实施例中，视差屏障包括具有一系列狭缝的不透明层，所述狭缝被配置为允许左眼和右眼看到不同组的像素。视差屏障可以与这里公开的新颖光学块105结合使用。
图9图示了其中将示例性视差屏障180布置在显示器20与左眼和右眼15A、15B之间的示例性实施例。如图9所示，示例性视差屏障180被配置成允许左眼15A看到显示屏20的第一组像素(标记为“L”)，同时阻挡第二组像素(标记为“R”)。同样，示例性视差屏障180被配置为允许右眼15B看到第二组像素，同时阻挡第一组像素。图9是视差屏障180的一个例子，并且应该理解，可以替代地或附加地使用其他类型的视差屏障180。
这里已经描述和说明了几个发明实施例，并且本领域的普通技术人员将容易设想到用于执行功能和/或获得结果和/或这里描述的优点中的一个或多个的各种其它部件和/或结构，并且这样的变化和/或修改中的每一个被认为是在这里描述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，这里描述的所有参数、维度、材料和配置打算是示例性的，并且实际参数、维度、材料和/或配置将取决于使用本发明的教义的(多个)特定应用。本领域的技术人员将认识到，或仅仅使用常规实验就能够确定，这里描述的具体发明实施例的许多等效。因此，应该理解的是，前述实施例仅作为示例呈现，并且在所附权利要求及其等效的范围内，可以以与具体描述和要求保护的方式不同的方式，来实践发明实施例。本公开的发明实施例针对这里描述的每一个别的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。此外，如果这些特征、系统、物品、材料、套件和/或方法没有相互不一致，则两个或更多这样的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何组合都包括在本公开的发明范围内。
为了避免不必要地模糊本公开，HMD(例如，框架、带子、接口、通信电子器件等)和显示屏的公知组件未被详细说明和/或讨论，或者在一些情况下根本没有说明和/或讨论。
除非在此另外具体定义，否则应向所有术语给予其最宽泛的可能解释，包括从说明书和附图中暗含的含义以及本领域技术人员理解和/或字典、论文等中定义的含义。如这里明确阐述的，某些术语可能不符合其通常或习惯的含义。
除非有明确的相反指示，否则这里在说明书和权利要求中使用的不定冠词“一”和“一个”应理解为意指“至少一个”。
这里在说明书和权利要求中使用的短语“和/或”应理解为意指如此结合的元素的“一个或两个”，即在一些情况下联合存在并且在其它情况下分离地存在的元素。用“和/或”列出的多个元素应该以相同的方式解释，即如此结合的元素中的“一个或多个”。除了由“和/或”子句具体标识的元素之外的其他元素可以可选地存在，而不管与具体标识的那些元素相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，当与诸如“包括”的开放式语言结合使用时，对“A和/或B”的引用在一个实施例中可以仅指代A(可选地包括除了B的元素)；在另一个实施例中，仅指代B(可选地包括除了A之外的元素)；在又一个实施例中，指代A和B两者(可选地包括其他元件)等等。
如本文在说明书和权利要求中所使用的，“或”应被理解为具有与以上定义的“和/或”相同的含义。例如，当分离列表中的项目时，“或”或“和/或”应被解释为包含性的，即包含多个元素或元素列表中的至少一个(也包括多于一个)、以及可选的其他未列出项目。
如本文在说明书和权利要求中所使用的，在一个或多个元素的列表中引用短语“至少一个”应该理解为意指从所述元素列表中的任何一个或多个元素中选择的至少一个元素，但并非必须包括在所述元素列表内具体列出的每个元素中的至少一个，并且不排除所述元素列表中的元素的任何组合。该定义也允许除了短语“至少一个”涉及的元素列表内具体标识的元素之外的元素可以可选地存在，而不管与具体标识的那些元素相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或者，等效地，“A或B中的至少一个”，或者等效地“A和/或B中的至少一个”)可以在一个实施例中，指代至少一个(可选地包括多于一个)A、不存在B(并且可选地包括除了B之外的元素)；在另一个实施例中，指代至少一个(可选地包括多于一个)B、不存在A(并且可选地包括除了A之外的元素)；在又一个实施例中，指代至少一个(可选地包括多于一个)A和至少一个(可选地包括多于一个)B(并且可选地包括其他元素)等等。
如本文在说明书和权利要求中所使用的，在一个或多个元素的列表中引用短语“一个或多个”应理解为意指与“至少一个”相同的事物。
也应该应理解的是，除非明确地相反指示，否则在本文中要求保护的包括多于一个步骤或动作的任何方法中，该方法的步骤或动作的顺序不一定限于其中阐述该方法的步骤或动作的顺序。在权利要求以及以上说明书中，诸如“包含”、“包括”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”、“组成”等所有过渡性短语等应被理解为是开放式的，即意味着包括但不限于。如美国专利局专利审查程序指南第2111.03部分所述，只有过渡性短语“由......组成”和“基本上由...组成”应分别是封闭式或半封闭式过渡性短语。
这里使用术语“耦合”来表达直接连接以及通过一个或多个中间部分或结构的连接。“通信耦合”的元件能够进行通信但不一定物理耦合。使用术语“示例性”和“实施例”来表达示例，而不是偏好或要求。术语“多个”意味着“至少两个”。缩写“例如”意味着“例如”。缩写“即”意味着“作为”。
此外，使用说明书中和权利要求中的术语第一、第二等，用于区分类似的元素，并且不一定用于按照时间、空间、排序或以任何其他方式描述序列。应该理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，并且这里描述的本发明的实施例能够以不同于这里描述或示出的其他顺序操作。
附图不一定按比例绘制，并且特征的维度、形状和大小可与它们在附图中描绘的方式有很大不同。
对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现并非必须全部指代相同的实施例，而是可以。此外，本领域普通技术人员根据该公开显而易见的是，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式进行组合。
类似地，应当认识到，在示例性实施例的描述中，为了简化本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个的目的，有时将各个特征一起分组在单个实施例、附图或其描述中。然而，本公开的方法不应被解释为反映所要求保护的发明需要比每个权利要求中阐述的更多特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，发明方面在于少于单个前述公开实施例的所有特征。因此，在详细描述之后的权利要求在此明确地并入本详细描述中，每一权利要求本身作为本发明的单独实施例。
此外，尽管这里描述的一些实施例包括其他实施例中包括的一些特征但不包括其他特征，但是不同实施例的特征的组合应该在本发明的范围内，并形成不同的实施例，如本领域技术人员将理解的那样。例如，在下面的权利要求中，可以组合使用许多要求保护的实施例。
虽然已经公开了具体实施例，但是显而易见的是，可以对其做出各种修改和改变，而不脱离本公开的较宽泛的精神和范围。例如，至少在可实践的情况下，任何实施例的特征或方面可以与任何其他实施例组合、或代替其对应特征或方面来应用。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (15)

1.一种头戴式显示设备，包括：
显示屏；以及
光学块，所述光学块包括：
第一楔形光学组件，其具有第一弯曲表面以及与第一弯曲表面相对的第一平坦表面，其中所述第一楔形光学组件布置在所述头戴式显示设备中以位于所述显示屏和所述头戴式显示设备的用户的左眼之间，并且其中所述第一楔形光学组件配置为在一时刻向该用户的左眼而不是右眼呈现由该显示屏生成的图像的整体的第一移位版本，该显示屏生成的图像是该显示屏在该时刻生成的唯一图像，该图像的整体的第一移位版本具有与该显示屏的中心不同的第一感知中心位置，以及
第二楔形光学组件，其具有第二弯曲表面以及与第二弯曲表面相对的第二平坦表面，其中所述第二楔形光学组件与所述第一楔形光学组件分开，并且所述第二楔形光学组件布置在所述头戴式显示设备中以位于所述显示屏和所述头戴式显示设备的用户的右眼之间，并且其中所述第二楔形光学组件配置为在该时刻向该头戴式显示设备的用户的右眼而不是左眼呈现由该显示屏生成的图像的整体的第二移位版本，该图像的整体的第二移位版本具有与该显示屏的中心不同并且与该第一感知中心位置不同的第二感知中心位置。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，所述显示屏和所述光学块之间的距离小于大约25cm。
3.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中所述第一和第二弯曲表面或所述第一和第二平坦表面被定位成面对所述头戴式显示设备的用户。
4.根据权利要求1、2或3所述的头戴式显示设备，其中所述第一楔形光学组件和第二楔形光学组件中的至少一个包括：
具有至少一个具有光焦度的表面的透镜；和
光劈。
5.根据权利要求4所述的头戴式显示设备，其中，所述光劈和所述透镜被包括在单片单元中。
6.根据权利要求4所述的头戴式显示设备，其中所述光劈和透镜是单独的组件。
7.根据权利要求1、2或3所述的头戴式显示设备，进一步包括致动器，所述致动器被配置为使得用户能够移动所述光学块的至少一部分。
8.根据权利要求7所述的头戴式显示设备，其中，所述致动器被配置为使得所述用户能够沿着至少与中心线平行或正交的方向移动所述光学块的至少一部分。
9.根据权利要求7所述的头戴式显示设备，其中所述致动器被配置为使得所述用户能够相对于所述光学块的第二部分移动所述光学块的第一部分。
10.根据权利要求7所述的头戴式显示设备，其中所述致动器被配置为使得所述用户能够旋转所述光学块的至少一部分。
11.根据权利要求7所述的头戴式显示设备，其中所述致动器包括机械组件，所述机械组件被配置为使得所述用户能够调整所述光学块的至少一部分与所述显示屏之间的距离。
12.根据权利要求1、2或3所述的头戴式显示设备，其中所述光学块包括棱镜、衍射表面、校正透镜、或反射镜。
13.根据权利要求1、2或3所述的头戴式显示设备，其中所述第一感知中心位置对应于第一辐辏角并且所述第二感知中心位置对应于第二辐辏角，所述第一和第二辐辏角中的每一个小于与显示屏的中心对应的聚焦角。
14.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中所述光学块与所述显示屏之间的距离在大约50mm与大约250mm之间。
15.根据权利要求1、2、3或14所述的头戴式显示设备，还包括：
视差屏障，布置在所述显示屏和所述光学块之间，其中所述视差屏障包括狭缝、液晶显示器或透镜状显示器。
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