CN111033356B - 用于个人显示器的目镜和包括这样的目镜的个人显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及个人显示设备，且尤其涉及用于个人显示设备的目镜。该目镜被适配成用于通过在目镜的一侧的出射光瞳(10)从目镜的相对侧的像平面(14)投影图像，并且包括至少一个固定透镜组(13)以及沿在像平面(14)和出射光瞳(10)之间的光轴相对于固定透镜组(13)能移动的至少两个可移动透镜组(11、12)。根据本发明，透镜组按正‑负‑正配置来被布置，并且可移动透镜组被布置成沿着光轴在提供第一视场的第一状态和提供小于第一视场的第二视场的第二状态之间向像平面(14)移动。本发明虑及改善个人显示设备的光学性能和用户体验。

Description

用于个人显示器的目镜和包括这样的目镜的个人显示器

发明领域

本发明涉及例如在虚拟现实(VR)和增强现实(AR)应用中使用的个人显示系统的光学器件。具体而言，本发明涉及供在个人显示器中使用的变焦目镜和包含这样的目镜的个人显示器。

发明背景

归因于微显示器和近眼显示器(NED)技术的最新发展和进步，虚拟和增强现实头戴式设备(headset)变得越来越普遍。一些产品已被投放到主要针对虚拟现实应用、游戏和其他娱乐的消费者市场。这些头戴式设备通常包括用于投影的广角目镜，该目镜包括可以是非球面的并且可以包括菲涅耳凹槽以减轻其重量的单个透镜。由于显示器通常以朗伯模式(Lambertian pattern)辐射，因此这些系统通常并不进行出射光瞳成形，然而不管这种属性如何，仍需要针对特定出射光瞳值设计投影光学器件以供愉悦的观看体验。

为了与人眼的兼容性，目镜的设计出射光瞳(要么非光瞳成形要么光瞳成形)必须位于透镜组装件本身的外部。眼透镜(eyelens)和出射光瞳之间的最小推荐距离的范围通常在8和12毫米之间。此距离也被称为良视距(eye-relief)。如果良视距小于8毫米，则用户很可能将其睫毛粘在目镜上，这会导致生理上的不适。

对于这些系统，宽的视场对于沉浸感而言非常重要，并且对于单个透镜元件，典型视场的范围是从115度到95度。图像源(诸如显示面板)通常大于透镜本身。从f*tan(θ)投影定律获得的典型畸变可在现有广角目镜中很容易地超过50％。然而，这种畸变是无关紧要的，因为可以利用软件校正畸变效果，以使得用户不会感知到显著的畸变，并且通常在显示面板的图像外围处看不到分辨率的变化。这与传统的目镜设计有所不同，在传统的目镜设计中，这样的畸变未能被轻易地接受。

如果意图是游戏，则对虚拟或增强现实投影应用而言，为广角投影设计的现有技术的VR和AR目镜光学器件通常执行起来是令人满意的。然而，一旦用户想要将头戴式设备用于其他用途，这种配置就成问题了，因为广角投影中的图像外围无法通过现有技术的视觉系统被足够好地解析。尽管将图像裁剪得更小是获得更舒适观看体验的一种解决方案，但是此操作可能会轻易损失超过50％的显示像素，由此使图像质量受损害。

现有技术的系统表明，如果视场被裁剪到40度斜对角线，则多达80％的总图像信息可被丢失，并且对于60度斜对角线，粗略地为65％。沿对角线粗略地需要2400个像素以供40度的观看体验，在40度的观看体验中，人类视觉系统限制所感知到的分辨率(1弧分(arcmin))。这意味着在90-110度虚拟现实投影中使用的显示器将需要沿对角线的在5400至6600个像素之间的任何数量的像素。这超出了当前可负担的虚拟现实头戴式设备的范围，且因而在未来的几年里，观看体验将受到显示分辨率的限制。

在US 3768890中公开了一种现有目镜。该目镜具有利用两个组的透镜实现的内部对焦，并且在两个组之间采用了空间变化。然而，这样的目镜无法投影出足够广角的图像以供沉浸式VR或AR应用。另一方面，US 7154683公开了一种目镜，该目镜具有其中每个正透镜都是类似的平凸透镜的配置。该目镜既非为连续变焦而设计，其也无法为广角应用提供所需的视场。

因而，需要用于个人显示器的新的目镜解决方案，该解决方案具有在广角和窄角两种解决方案中执行起来都很良好的能力。

发明内容

本发明的目的是解决至少一些上面提到的问题，并提供一种供在个人显示器中使用且能够改善个人显示器的用户体验的目镜。一个目的是提供一种目镜，该目镜更适合于广泛的应用，诸如观看电影和游戏，尤其虑及用于沉浸式应用的广角图像和在窄角图像应用中的光学上更好的图像。此外，一个目的是允许在同样要求在外围区域(诸如显示器的角隅)中有良好光学性能的应用中对整个显示区域的利用。一个附加目的是提供一种在广角和窄角两种应用中在光学上执行起来更好的目镜。

一个特定目的是提供一种如上面描述的具有改善的用户体验和/或光学性能的新型个人显示器，尤其是一种可穿戴个人设备(头戴式设备)，其包括内置的显示元件或用于安装外部显示元件的装置以及用于将图像从显示器投影到观看者的眼睛并提供改善的电影观看体验的目镜。

通过如本文中所描述和要求保护的本发明来达成这些目的。

本发明基于以下构思：提供一种目镜，该目镜用于通过在目镜的一侧的出射光瞳在目镜的相对侧的像平面上投影图像，该目镜包括至少一个固定透镜组以及沿在像平面和出射光瞳之间的光轴相对于固定透镜组能移动的至少两个可移动透镜组。根据本发明，透镜组按正-负-正配置来被布置，并且可移动透镜组被布置成沿着光轴在提供第一视场的第一状态和提供小于第一视场的第二视场的第二状态之间向像平面移动。

根据本发明的个人显示设备包括显示元件或专用空间以及用于使外部显示元件在其固定位置中容适并固定不动的装置，以及上面提到的这种用于将图像从显示元件投影到观看者的眼睛的目镜。显示元件被固定在目镜的像平面处，因而在显示器上提供可变视场。

更具体而言，本发明的特征在于独立权利要求中所阐述的内容。

本发明提供了显著的益处。具体而言，本发明允许被用于广角投影的相同显示器在窄投影角度应用中保持其像素计数。这由本发明通过以下方式来实现：在仍利用显示元件的整个区域的情况下，使用处于合适光学配置中的移动组以使系统容适期望的焦距，因而容适期望的视场。不需要对图像进行裁剪。

在需要图像中央部分内的用户注意力且仍然在外围包含重要细节的应用中，可以获得特别的优势。这种应用的示例是看电视或电影。这是因为现有技术的VR/AR设备中的图像要么被裁剪要么必然被投影到非常宽的视场上，由此眼睛因而需要相对多地从中心转动，以便感知图像外围上的细节。因此，观看体验受损并且眼睛紧张。尤其当动作在非常宽的视场中发生时，看电影变得很烦人。很难把精力集中在电影上，因为重要的细节可能出现在外围中，在该外围处人眼具有弱的分辨率并且使眼球向那倾斜会导致视疲劳。另外，根据研究，人们会回忆面部，面部适合在相对窄的视场中(通常约为20度)，因此这对面部而言也是最自然和最方便的视场。如果仅广角状态是可用的，则例如出现在电影上的面部看起来太过侵入性。

本发明还提供了一种适于被用作个人显示器的目镜的投影光学器件组装件的完全新的光学结构。具体而言，该光学构造仅通过在像平面的一侧(即在出射光瞳的一侧)移动透镜元件便提供对视场进行改变(即变焦)。另外，其为用户提供了足够的良视距，并且利用对畸变的控制，为广角应用提供了足够的投影角度，同时针对例如采用变焦配置的电视或电影应用将图像质量保持得高。

借助于本发明，可以将显示器对角线减小到根据商业上可获得的现有技术的显示器对角线的大致60％，并且允许将视场从110度改变至40度。尤其通过如本文中所描述的此处的三透镜配置而使得这成为可能。较小的显示器是有益的，因为可以使整个显示设备更小且重量更轻，而不会损害可达到的视场或图像质量。因而，可以在广泛的应用(例如包括游戏和电影)中提供最大的用户体验。在利用显示元件的所有可用像素的情况下，图像在所有情形中均可被扩展或压缩以供最优的用户体验，无论是沉浸式体验还是便捷且轻松的电影观摩。

从属权利要求涉及本发明的所选实施例。

根据一个实施例，目镜被适配成在第一和第二状态下在所述出射光瞳处提供像平面的基本上相等大小的区域的图像。即，没有进行对像平面的裁剪，但是位于像平面处的显示元件的所有像素被两种状态所利用，从而提供了最大的图像质量。这也是有益的，因为显示设备不需要“知道”哪种状态是观看者正在使用的，而是可以简单地使用整个可用的图像区域。应当注意的是，术语“基本上相等大小的区域”是关于(非)裁剪可用显示区域来被使用的。因此，其覆盖了其中潜在的图像畸变发生的情形。

根据一个实施例，透镜组包括最靠近出射光瞳定位的第一可移动正透镜组、最靠近像平面定位的第三固定正透镜组，以及在第一透镜组和第三透镜组之间的第二可移动负透镜组。在进一步的实施例中，第一透镜组和第二透镜组被适配成当从第一状态移动到第二状态时从第三透镜组移开且彼此更靠近。该配置可能类似于所谓的Donders-zoom(唐德斯变焦)结构，但是被应用于目镜。这在仍保持双目会聚校准有效的情况下在显示器上提供了可变的视场，或者在双眼解决方案中始终至少降低了校准误差的可能性。

根据一个实施例，第二透镜组被适配成在第一状态下在第三透镜组附近(例如，基本上与之接触)，并且在第二状态下在第一透镜组附近(例如，基本上与之接触)。在给定目镜总延伸的情况下，这提供视场的最大改变。

根据一个实施例，第一视场是100度或更大(诸如110度或更大，且甚至115度或更大)，并且第二视场是65度或更小，典型地60度或更小(诸如50度或更小，且甚至40度或更小)。可以在例如100度和130度之间选择第一视场，而在例如30度和65度之间选择第二视场。这样的变焦系数一方面虑及针对在广角状态下利用靠近目镜的大显示区域的足够的投影角度，而另一方面，合理地增加系统长度但仍虑及在变焦状态下的高图像质量。

根据一个实施例，透镜组的每一者包括至多两个透镜元件，尤其是透镜组的至少两者仅包括单个透镜元件。

根据一个实施例，出射光瞳位于透镜系统外部，即与透镜组相距一定距离。

根据一个实施例，目镜包括用于在第一状态(第一视场)和第二状态(第二视场)之间连续变焦的装置。即，用户可以使透镜组在第一状态和第二状态之间及包括第一状态和第二状态的任何期望位置中固定不动，以使得在出射光瞳处形成像平面的清晰图像。

根据个人显示设备的一个实施例，作为显示元件和目镜的补充，该设备还包括功能上连接到显示元件以在显示元件上显示内容的处理单元，以及用于在第一状态和第二状态之间改变目镜的状态，即适当地移动可移动透镜组的调整装置。

根据进一步的实施例，目镜和/或使用目镜的个人显示设备包括机械和/或电调整装置，以供用户在目镜的第一状态和第二状态之间切换。

显示元件可以是设备的组成部分，或者可以是可附连至其的分开的元件。具体而言，显示元件可以包括移动电话的屏幕，该移动电话能安装到个人显示设备以使得其屏幕到达目镜的像平面。

根据一个实施例，该设备包括以双目配置来被布置且瞄准在要么相同显示元件的不同部分要么分开的显示元件上的两个类似的目镜。

接下来，参考附图讨论本发明的选定实施例及其优点。

附图简述

图1A和1B分别示出了根据一个实施例的目镜在广角状态和远摄(tele)状态下的光学配置。

图2A和2B相应地以侧视图和俯视图示意性地解说了包括所提出的这种目镜的个人显示设备。

图3A和3B分别示出了示例性目镜在远摄和广角状态下的畸变图。

实施例的详细描述

术语“目镜”一般地指代光学器件，该光学器件被设计成用于通过位于器件一侧的出射光瞳从该器件的另一侧的像平面以从那里的非零距离投影图像。这种目镜允许用裸眼观看像平面的清晰且放大的图像。

与术语“透镜组”形成对照，术语“透镜元件”指代单个光学透镜，透镜组可以包括单个透镜或采用预定的相互配置的两个或更多个透镜。

术语“广角”状态(第一状态)在这里指代100度或更大的视场，而术语“远摄”或“变焦”状态(第二状态)指代65度或更小的视场。

在图1A和1B中，分别以广角和窄角观看配置示出了目镜的示例性透镜系统的轮廓。像平面(诸如显示表面)在此用参考标号14表示，而出射光瞳在此用参考标号10表示。透镜系统的支撑结构未示出，但是本领域技术人员应理解，必须提供用于保持必要的透镜便组并虑及对可移动透镜组进行移动的某种机械结构以形成可操作的目镜。各种这样的结构本身是已知的。

提供了负中间透镜组12(第二透镜组)，该负中间透镜组12被正透镜组11(第一透镜组)和13(第三透镜组)包围。第二透镜组12充当变倍(variator)透镜组。第三透镜组13最靠近显示器14且相对于显示器14被固定，而第一和第二透镜组11和12是可移动的。

一般而言，每个透镜组11、12、13可包含一个或多个透镜元件，折光力在这些元件之间被分配。

根据一个实施例，第一透镜组11包括两个透镜元件11A、11B，优选地由两个透镜元件11A、11B组成。根据一个实施例，最靠近眼睛的第一透镜元件11A是平凸透镜，其平坦表面面朝眼睛，而相邻的第二透镜元件11B是弯月形(meniscus)透镜等。根据一个实施例，第二透镜元件11B是正弯月形透镜，但是在一些配置中其也可以是负弯月形透镜。典型地，第二透镜元件11B是像图1A和1B中所示那样不规则的。应当指出，这些透镜不一定能直接归类为任何单一类别，而是具有定制的非球面特征。

根据替代实施例，第一透镜组11包括单个菲涅耳透镜元件，尤其是由单个菲涅耳透镜元件组成。然而，出于图像质量的原因，优选双透镜解决方案。

根据一个实施例，第二透镜组12包括平凹透镜元件12A，优选地由平凹透镜元件12A组成，其平面侧面向第三透镜组13和显示器14。

根据一个实施例，第三透镜组13包括波前校正器透镜元件13A，优选地由波前校正器透镜元件13A组成，该波前校正器透镜元件13A用于校正靠近图像源的波前的形状。典型地，第三透镜元件13A是非球面的。第三透镜相对于显示器是静止的。

根据一个实施例，第一和第二透镜组11和12能在第一状态(广角状态)和第二状态(远摄状态)之间移动，以使得当从第一状态朝第二状态移动时，它们距第三透镜组的距离被增加。在一个实施例中，第一透镜组行进第一距离，而第二透镜组行进从第三透镜组附近的第一位置到第一透镜组附近的第二位置的更长的第二距离。

根据替代实施例，第一透镜组11是固定的，而透镜组12和13是可移动的。然而，这也将要求显示器移动，而为了保持双目会聚校准有效，其不如其中组11和12可移动的选项那样优选。

变焦系数主要受系统长度增加的限制。还可以以内部变焦原理的方式来设计系统，其中光学系统的总长度不会改变。然而，在需要目镜在广角状态下尽可能短的尺寸的应用中，利用可延伸结构的所提出的实施例是优选的。

在一些实施例中，出射光瞳位于距透镜组至少8mm的距离处。这允许方便的观看，并且防止睫毛碰到目镜。

还提供了功能上连接到目镜的屈光度调整装置(其本身是已知的)。

图2A示出了根据一个实施例的个人显示器23。显示器23包括显示元件24和所提出的这种目镜26，该目镜26被定位成使得显示元件24在广角状态(且因此也在远摄状态)下覆盖目镜26的整个视场。因而，靠近或处于出射光瞳的观看者的眼睛20将捕捉显示元件处所呈现的图像。

图2B示出了个人显示设备23的一实施例，其中所提出的类型的两个目镜26A、26B被以双目配置提供并且瞄准在单个显示元件24的不同部分上且用于用户的两只眼睛20A、20B。自然地，也可存在两个显示元件，每个目镜一个。这样，通过在(诸)显示元件24的适当位置处或用于每只眼睛20A、20B的经适当地定位的显示元件24处适当地呈现不同图像内容，可以为用户提供三维体验。

如本文中所使用的术语个人显示系统指代旨在由单个个人观看的显示系统。个人显示系统的示例包括各种头戴式显示器(HMD)，诸如虚拟现实(VR)设备、增强现实(AR)设备和所谓的可穿戴智能显示设备。

个人显示系统通常可以包含用于经由显示元件和目镜为用户产生、处理和显示内容的所有必要组件，或者被适配成用作仅从外部源接收要显示的数据的显示单元。典型地，在最小配置中，提供了在功能上连接到显示元件的处理单元，该处理单元能够从外部或内部源接收表示要显示的内容的数据信号，并相应地控制显示元件以在其上显示内容。

根据一个实施例，处理单元被适配成在将目镜的光学畸变特性纳入考虑的情况下，对要显示的图像应用基于软件的几何校正。在替代实施例中，处理单元不执行这样的校正。这对于所提出的光学系统也是可能的，该光学系统尤其在远摄状态下执行起来良好。因而，用户看到的图像在几何上可以基本上对应于被显示在显示元件中的图像。

显示元件24可以是不透明的或至少部分透明的。在后一种情形中，可以提供所谓的透视显示设备，其中该显示设备除了传递在显示元件处显示的图像之外，还能够将环境光传递给用户，用户同时地看到该图像和环境光。

示例

由图1A和1B示意性地表示的示例性透镜配置由下面的表面参数化公式表示

其中r是距光轴的距离，受半径限制；c是表面曲率(表面曲率半径的倒数)；k是圆锥常数，而α是非球面系数。

在一个示例中，透镜的表面数据如表1中所列出，起始于出射光瞳(STOP)且行进至显示器(DISP)。术语“厚度”指代连续表面的中央点之间的距离，这些连续表面包括具有用“折射率”和“阿贝数列(Abbe number columns)”(其对于空气为空)指示的属性的材料。

表2中列出了各表面的示例性非球面系数。

示例性设计厚度如表3所示。

表4中给出了示例性目镜的一般属性。

表1透镜表面数据

表2透镜表面的非球面系数

表面#	广角	远摄
			5	18,354	0,381
7	0	31,82

表3透镜厚度

属性	广角	远摄
			焦距	32,14	44,86
F/#	3,18	4,47
			FFOV[度]	110	60,5
畸变％	41,9	4
			总长度	69,06	55,27

表4目镜属性

图3A和3B分别示出了示例性目镜在远摄和广角状态下的畸变图(如当光在图1B和1A的配置中从左侧入射时看到的)。

Claims (9)

1.一种目镜，所述目镜用于将图像从所述目镜一侧的像平面(14)投影至所述目镜的另一侧的出射光瞳(10)处的观看者的眼睛，包括：固定正透镜组(13)以及沿所述像平面(14)和所述出射光瞳(10)之间的光轴相对于所述固定正透镜组(13)能移动的两个可移动透镜组，

其中透镜组按正-负-正配置来被布置，并且所述两个可移动透镜组被布置成沿着所述光轴在提供第一视场的第一状态和提供小于所述第一视场的第二视场的第二状态之间向所述像平面(14)移动，其中相对于所述目镜的其它透镜组而言可移动正透镜组(11)位于最接近所述出射光瞳(10)，其中所述目镜的长度当在所述第一状态和第二状态之间移动时改变，并且所述目镜被适配成在所述第一和第二状态下在所述出射光瞳(10)处提供所述像平面(14)的基本上相等大小的区域的图像，其中所述透镜组包括：

-最靠近所述出射光瞳(10)的可移动正透镜组(11)，

-最靠近所述像平面的固定正透镜组(13)，

-在所述可移动正透镜组(11)和所述固定正透镜组(13)之间的可移动负透镜组(12)，

其中所述可移动正透镜组(11)和所述可移动负透镜组(12)被适配成当从所述第一状态移动到所述第二状态时从所述固定正透镜组(13)移开且彼此更靠近。

2.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于，所述可移动负透镜组(12)被适配成在所述第一状态下位于所述固定正透镜组(13)附近，并且在所述第二状态下位于所述可移动正透镜组(11)附近。

3.根据前述权利要求中任一项所述的目镜，其特征在于，所述第一视场为100度或更大，而所述第二视场为65度或更小。

4.根据权利要求1或2所述的目镜，其特征在于，所述可移动正透镜组(11)包括两个透镜元件(11A、11B)，所述可移动负透镜组(12)仅包括单个透镜元件(12A)，且所述固定正透镜组(13)仅包括单个透镜元件(13A)。

5.一种个人显示设备，包括：

-显示元件(24)或用于将显示元件安装在固定位置中的装置，

-用于将图像从显示元件(24)投影到观看者的眼睛(20)的目镜(26)，

其中所述目镜(26)包括根据前述权利要求中任一项所述的目镜(26)，其中所述显示元件(24)被定位在所述像平面(14)处。

6.根据权利要求5所述的显示设备，其特征在于，包括在功能上连接到所述显示元件以供在所述显示元件上显示内容的处理单元。

7.根据权利要求5或6所述的显示设备，其特征在于，包括目镜调整装置，所述目镜调整装置被适配成虑及在所述第一状态和所述第二状态之间改变所述目镜(26)的状态。

8.根据权利要求5至6中任一项所述的显示设备，其特征在于，包括采用双目配置的两个这样的目镜。

9.根据权利要求5至6中任一项所述的显示设备，其特征在于，所述设备是可穿戴设备。

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