CN111989609B - 用于头戴式安装的显示设备及显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有放大眼动框、用于头戴式安装的显示设备，特别是麦克斯韦显示设备。所述显示设备包括：光源，用于发射用于形成图像的光束；光学***，用于将所述光束引导到光束成形元件。所述光束成形元件用于将多组所述光束的每组光束汇聚到不同的汇聚点，例如汇聚在所述显示设备的出射瞳孔上。每个汇聚点都是用户的视线汇聚点。因此，放大了所述眼动框。

Description

用于头戴式安装的显示设备及显示方法

技术领域

本发明涉及用于头戴式安装的显示设备，即头戴式显示(head-mounted display，HMD)设备的领域。例如，所述HMD设备可以是麦克斯韦显示设备。本发明的目的是放大这种显示设备的眼动框。为此，本发明提出一种更好的用于头戴式安装的显示设备及对应的显示方法。

背景技术

HMD设备的概念可以追溯到数十年前，但随着新产品的研发，这一概念如今正受到越来越多的关注。最常见的HMD设备类型是用于将2D图像投射到用户的眼睛中。将左视图像投射到左眼，右视图像投射到右眼。为2D图像提供三维(three-dimensional，3D)视觉效果，如立体3D。然而，没有一种现有的商用设备能提供比立体3D更好的3D图像。因此，此类设备的用户仍然会遭受恶心、头晕和假3D感知等症状。具体地，这些症状由引起晶状体调节的因素与双目3D因素之间的冲突引起，称为辐辏调节冲突(Vergence-Accomodation Conflict，VAC)。

为了避免VAC，需要使用多个物理焦平面以及变焦设备，或需要移除引起晶状体调节的因素来重建完美(或至少接近完美)的深度。然而，生成晶状体调节需要大量的空间或时间信息带宽。因此，到目前为止，仍然没有能够产生完美的(或甚至接近完美的)晶状体调节的深度线索的设备。

麦克斯韦显示设备体现了一种通过去除晶状体调节来解决VAC冲突的方法。所述麦克斯韦显示设备的基本思想是产生理想的光束，并将这些光束投射到用户的眼睛中，以便生成虚拟现实。

特别地，在麦克斯韦显示设备中，通过非常窄(例如，直径小于0.5mm)的光束将图像的每个像素投射到用户的眼睛中，从而使图像的像素总是聚焦在视网膜上。因此，可以解决目前市场上HMD设备的VAC问题。另一个优点是，麦克斯韦显示设备所需的主要组件仅仅主要是扫描显示组件和反射器，这使得整个设备比较紧凑。

然而，窄投影光束也限制了HMD设备的眼动框。因此，当眼睛转动到不同角度时，投射到眼睛中的图像将丢失。这对消费品而言是不合适的。

EP 2 979 128 B1描述了一种用于显示从具有多个出射瞳孔的头戴显示器投射的图像的方法。利用多个入射光束创建多个出射瞳孔。然而，缺点是需要多个光源来生成多个出射瞳孔。此外，不同出射瞳孔的图像亮度不容易同步，因此到达眼睛的光不均匀。

发明内容

鉴于上述问题和缺点，本发明旨在改进目前市场上的HMD设备。特别地，本发明的目的是提供一种用于头戴式安装的显示设备，该显示设备一方面不会产生VAC问题，另一方面具有放大的眼动框。此外，所述显示设备应比较紧凑。所述显示设备还应不需要多个光源，能够提供均匀的光分布。

通过所附独立权利要求中提供的解决方案实现该目的。本发明的有利实现方式在从属权利要求中进一步定义。

特别地，本发明提出，通过使用一个或多个光束成形和/或分离元件为用户创建不同的视线点(例如，在设备的出射瞳孔上)来放大免晶状体调节HMD设备中的眼动框。

本发明的第一方面提供一种适于头戴式安装的显示设备，包括：光源，用于发射用于形成图像的光束的；光学***，用于将所述光束引导到光束成形元件。所述光束成形元件用于将多组所述光束的每组光束汇聚到不同的汇聚点。

每个汇聚点都是同一个图像的视线汇聚点。例如，所述汇聚点可以位于所述设备的出射瞳孔上。因此，所述设备的用户即使转动眼球，也能够看到图像(例如，通过所述设备的所述出射瞳孔)。因此，有效地放大了所述显示设备的眼动框。具体地，所述显示设备可以是不会产生VAC问题的麦克斯韦显示设备。由于所述光束成形元件可以相对较小，因此所述显示设备可以十分紧凑。此外，由于每个视线汇聚点由同一光源的光创建，因此确保了在用户眼睛前方光的均匀性。

在所述第一方面的一种实现方式中，所述光束成形元件包括多个分光器，用于通过将从所述光学***接收的所述光束空间分离成每个分光器一组光束来产生多组所述光束。

使用多个分光器是一种创建多个视线汇聚点的方法，所述视线汇聚点根据需要有效放大所述眼动框。改变所述分光器之间的距离可以根据需要改变所述视线点之间的距离。与仅具有一个分光器的设备相比，使用多个分光器不会显著增加所述显示设备的尺寸。将所述分光器布置在一个以上的方向上可以创建更大的二维眼动框。

在所述第一方面的另一种实现方式中，所述多个分光器包括第一组分光器和第二组分光器。沿第一方向依次布置所述第一组的分光器。沿第二方向依次布置所述第二组的分光器。所述第二方向可以与所述第一方向垂直。

这样，可以在如水平方向和垂直方向等不同的方向(例如，正交方向)上放大所述眼动框。

在所述第一方面的另一种实现方式中，所述光学***包括：第一透镜，用于使所述光束准直；和第二透镜，用于接收所述准直光束并将汇聚光束输出到所述光束成形元件。

这样，可以将所述光源的光束(例如，待形成图像的每个像素一个光束)引导到眼睛，例如引导到出射瞳孔。因此，可以实现用于头戴式安装的麦克斯韦显示设备。

在所述第一方面的另一种实现方式中，相邻汇聚点之间的距离在2mm与6mm之间，例如为3mm。

这个距离大约为典型的人眼瞳孔大小。这避免了用户同时理解多个视线汇聚点。可能会在所述视线汇聚点之间产生不会明显令人讨厌的间隙。

在所述第一方面的另一种实现方式中，所述显示设备还包括光学移位器，布置在所述光源与所述光学***之间，用于通过将从所述光源接收的所述光束空间分离成两组不同偏振的光束来产生多组所述光束。

通过所述光学移位器，可以进一步将视线点的数量增加两倍。例如，具有N个分光器的设备可以生成2×N个视线汇聚点。然而，也可以构建没有分光器而是仅具有所述光学移位器的设备来生成两个视线汇聚点。如果要提供两个相邻视线点之间的距离可调整的显示设备，则所述光学移位器也是有利的。将结合下文所述的实现方式对此加以描述。

在所述第一方面的另一种实现方式中，所述显示设备还包括偏振调制器，布置在所述光源与所述光学移位器之间，用于在激活时使提供给所述光学移位器的光束偏振。

当使提供给所述光学移位器的光束偏振时，所述光学移位器不会将所述光束***成各组不同偏振的光束。因此，有效地抵消了所述光学移位器的功能。这意味着，通过选择性地激活或去激活所述偏振调制器，可以改变视线汇聚点的数量，并相应地改变其间距。

在所述第一方面的另一种实现方式中，所述显示设备用于根据所述光束的亮度，具体是当所述光束的所述亮度高于确定阈值时，激活所述偏振调制器。

由于光束的亮度影响人眼的瞳孔大小，这可以是特别有利的。具体地，光束越亮，即由光束形成的图像越亮，瞳孔将越小。因此，应调小距离，以避免用户在眼球转动时看到图像之间的间隙。然而，对于较暗的图像和较大的瞳孔尺寸，应该调大距离，以避免用户同时看到多个视线汇聚点。

在所述第一方面的另一种实现方式中，所述光束成形元件包括具有一个或多个层的扁平组合器，用于通过将从所述光学***接收的所述不同偏振组的光束中的每组光束空间分离成每层一组光束来产生多组所述光束。

所述扁平组合器的多个层是另一种通过产生多个汇聚点来产生多个视线汇聚点的方式。可以使用这些层来代替多个分光器。

在所述第一方面的另一种实现方式中，所述扁平组合器包括衍射光栅或全息光栅。

这是实现所述扁平组合器的一种有效方法，实现了简单分层。

在所述第一方面的另一种实现方式中，所述光学***包括透镜，其中，所述透镜用于使从所述光学移位器接收的所述光束准直并将所述准直光束输出到所述扁平组合器。

在所述第一方面的另一种实现方式中，相邻汇聚点之间的距离在所述偏振调制器被去激活时在2mm与6mm之间，例如为3mm；在所述偏振调制器被激活时在1mm与3mm之间，例如为1.5mm。

这些尺寸是有利的，因为它们分别考虑到在较亮和较暗情况下人眼的瞳孔大小。

在所述第一方面的另一种实现方式中，所述光源为激光扫描投影仪，具体是MEMS投影仪；每个所述发射光束与待形成图像的一个像素相关。

利用这种激光扫描投影仪，可以轻易实现麦克斯韦显示设备，其中，激光束的宽度较小(低于0.5mm，例如在0.1mm与0.5mm之间)，始终聚焦在视网膜上。

本发明的第二方面提供一种显示方法，其中，所述方法包括：发射用于形成图像的光束；将多组所述光束中的每组光束汇聚到不同汇聚点。

所述第二方面及其实现方式的所述方法实现了与所述第一方面及其相应实现方式的所述显示设备相同的优点和效果。

本发明的第三方面提供一种包括程序代码的计算机程序产品，其中，所述程序代码用于控制根据所述第一方面或其任何实现方式所述的显示设备，或者用于当所述程序代码在计算机上执行时，执行根据所述第二方面及其相应实现方式所述的方法。

因此，所述第三方面的所述计算机程序产品分别实现所述第一方面的所述设备或所述第二方面的所述方法的所有优点和效果。

应注意，本申请中所描述的所有设备、元件、单元和构件都可以在软件或硬件元件或其任何种类的组合中实现。本申请中描述的各种实体执行的所有步骤和所描述的将由各种实体执行的功能旨在表明各个实体适于或用于执行各自的步骤和功能。虽然在以下具体实施例的描述中，由外部实体执行的特定功能或步骤没有在执行该特定步骤或功能的该实体的具体详述元件的描述中反映，但是技术人员应该清楚，这些方法和功能可以在相应的硬件或软件元件或其任意组合中实现。

附图说明

结合所附附图，下面具体实施例的描述将阐述本发明的上述方面及实现方式。

图1示出了本发明实施例提供的显示设备。

图2示出了本发明实施例提供的显示设备生成的作为视线汇聚点的多个汇聚点。

图3示出了本发明实施例提供的显示设备。

图4示出了本发明实施例提供的显示设备。

图5示出了本发明实施例提供的显示设备的光学移位器。

图6示出了本发明实施例提供的显示设备。

图7示出了本发明实施例提供的显示设备。

图8示出了本发明实施例提供的显示设备。

图9示出了本发明实施例提供的方法。

具体实施方式

图1示出了本发明实施例提供的显示设备100。所述显示设备特别适于头戴式安装，因此可以称为HMD设备。

显示设备100包括光源101，用于发射用于形成图像的光束102。特别地，光源101可以为激光扫描投影仪，具体为MEMS投影仪，并且每个发射光束102可以与待形成图像的特定像素相关。相应地，显示设备100可以是麦克斯韦显示设备。

显示设备100还包括光学***103，用于将光束102引导到光束成形元件104。光学***103可以包括至少一个透镜和/或至少一个镜子，将光束引导到显示设备100的出射瞳孔，使得这些光束能够到达用户的眼睛。

此外，显示设备100包括光束成形元件104，用于将多组102a、102b光束102的每组光束汇聚到不同的汇聚点105。所述多组102a和102b可以由光束成形元件104和/或显示设备100的其他光学组件(例如，在光学***103中)或由布置在光学***103与光源101之间的组件产生。后一种替代方案包括光学移位器，将在下文中对其进行更详细的描述。

每个汇聚点105对应显示设备100的用户的一个不同视线汇聚点，其中，每个视线汇聚点提供的图像是相同的。因此，当用户转动一只或两只眼球时，仍然可以观察不同视线汇聚点中的一个视线汇聚点。因此，放大了显示设备100的眼动框。

上文已经结合用户的一只眼球描述了显示设备100。当然，可以将设备100设计成向用户的双眼提供光线。在这种情况下，光源112的光束可以由两个光学***103分割并引导到两个不同的光束成形元件104，并在用户的每只眼睛前方产生多个汇聚点105。还可以使用两个(同步)光源101，一个光源对应一只眼睛。

图2示出了不同视线汇聚点(分别对应于上述汇聚点105)的示例。具体地，可以沿水平(H)和垂直(V)方向布置这些视线汇聚点。因此，在水平方向或垂直方向上，两个相邻汇聚点105之间的距离可以在2mm与6mm之间，具体为(如图2所示)约3mm。3mm值与典型的人眼瞳孔大小匹配。因此，相邻汇聚点105之间的距离可以大约为瞳孔大小，或者大于瞳孔大小。这就避免了不同视线汇聚点同时进入眼睛。因此，用户将不会多次看到图像。然而，如果距离变得过大，相邻的视线汇聚点之间将存在间隙。这可能会导致眼球转动时图像丢失，以及闪烁。因此，视线汇聚点之间的距离应该适当。为此，可以通过改变显示设备100，特别是波束成形元件104的设计等来调整视线汇聚点之间的距离。下文进一步描述其细节。

图3示出了本发明实施例提供的显示设备100，其基于图1所示的显示设备100构建。图1和图3中的相同元件用相同的附图标记来标记且功能类似。两个相同的显示设备100(每个显示设备对应一只眼睛)示为HMD设备的两个部分。在下文中，仅相对一只眼睛来描述显示设备100。在另一实施例中，这两个部分在一个显示设备100中实现。

图3示出了用于解决市场上的设备眼动框有限问题的显示设备100的特别简单的实施例。在该实施例中，光束成形元件104包括多个分光器300，用于通过将从光学***103接收的光束102空间分离成每个分光器300一组光束302a、302b来产生多组光束102。

此外，图3所示的显示设备100的光学***103包括：第一透镜301(例如，菲涅尔透镜)，用于使光束102准直；第二透镜303(具体是球面透镜)，用于接收所述准直光束102并将汇聚光束102输出到光束成形元件104，即多个分光器300。光学***103是共焦***。光学***103还可以包括镜子304，用于折叠光束102的光路，使得将光束102从光源101引导到眼睛，例如引导到显示设备100的出射瞳孔。

图3所示的显示设备100的光源101可以是放置在第一透镜301的焦平面上的激光扫描投影仪。显示设备100可以生成免晶状体调节图像。

多个分光器300可以生成如图2示例性示出的多个视线汇聚点。第一分光器300将汇聚在分光器300上的光束102分成两束。第一组302a光束102反射到汇聚点105，第二分光器300进一步将传输光束102分成汇聚在另一汇聚点105的另一反射组302b(为另一传输光束102)。显示设备100的N个分光器300将以这种方式生成N个汇聚点105，从而为用户眼睛生成N个视线汇聚点。由于每个视线汇聚点的图像相同，且多个视线汇聚点分布在眼睛能够自由移动而不因虹膜阻挡效应而丢失图像的较大区域中，因此有效地放大了显示设备100的眼动框。需要注意的是，通过改变分光器300之间的距离，可以改变视线汇聚点之间的距离。汇聚点105之间的距离可以近似等于分光器300之间的距离。

如图3中示意性示出的，可以沿一个方向(例如，水平方向)布置多个分光器300来放大眼动框。然而，也可以沿另一方向(例如，垂直方向)布置分光器300来放大眼动框。这在图4中示出。

如图4所示，可以使用两组或更多组分光器300。可以将分光器300的第一组300a沿第一方向(例如，水平方向)依次布置。可以将分光器300的第二组300b沿第二方向，具体是沿与第一方向垂直的第二方向(即，垂直方向等)依次布置。沿垂直方向放置的分光器300用于垂直放大眼动框，沿水平方向放置的分光器300用于水平放大眼动框。例如，图2所示的3×3个视线汇聚点可以由布置成三组的六个分光器300生成。

由于人眼的瞳孔在较暗的情况下会膨胀，而在较亮的情况下会收缩，因此随着瞳孔大小的变化而调整视线汇聚点之间的距离将是有利的。考虑到这一点，下文介绍使用用于分离光束102的附加光学组件(具体是光学移位器500)的显示设备100。光学移位器500(例如，方解石置换器)可以将输入(非偏振或混合偏振)光束102分离成两组(502a和502b)不同偏振的(具体是正交偏振的)光束102。这在图5中示意性地示出。

图6示出了本发明实施例提供的显示设备100，其基于图1所示的显示设备100构建。图6和图1中的相同元件用相同的附图标记来标记且功能类似。图6的设备100包括如图5所示的光学移位器500。如图3所示，两个相同的显示设备100(每个显示设备对应一只眼睛)示为HMD设备的两个部分(左右各一个)。在下文中，再次仅相对一只眼睛来描述显示设备100。在另一实施例中，显示设备100包括如图6所示的左边部分和右边部分。

具体地，光学移位器500布置在光源101与光学***103的第一透镜602之间。透镜602用于使从光学移位器500接收的光束102准直。因此，光学移位器500用于通过将从光源101接收的光束102空间分离成两组502a、502b不同偏振的光束102来产生多组光束102。因此，将从光源101投射的图像分离成具有不同偏振的两个相同图像。

特别地，图6的设备100中的光束成形元件104可以是扁平组合器600，用于将光束102的不同偏振组502a、502b中的每组光束汇聚到汇聚点105。相应地，在图6所示的该显示设备100中创建两个不同的视线汇聚点。扁平组合器600可以是具有透镜功能的体全息图，以生成多个视线汇聚点。扁平组合器600可以包括衍射光栅或全息光栅。

图6的设备100还可以包括偏振调制器601，布置在光源101与光学移位器500之间，用于在激活时使提供给光学移位器500的光束102偏振。通过激活或去激活偏振调制器，设备100生成两个视线点中的一个。

图7示出了本发明实施例提供的设备100，其基于图6所示的显示设备构建。图7和图6中的相同元件具有相同的附图标记且功能类似。图7中的设备100还包括偏振调制器601、光学移位器500和扁平组合器600。此外，如图3所示的设备100，显示设备100还包括多个分光器300，用于将光束的不同偏振组502a、502b各自分离成光束102的空间分离组302a和302b。

N个分光器300与光学移位器500一起产生2×N个视线汇聚点。因此，与图3的设备100相比，可以减少一定数量的目标视线点所需的分光器数量。另一方面，视线汇聚点之间的距离由光学移位器500的位移和分光器300之间的距离决定。

可以使用偏振调制器601(其切换时间优选地小于2ms)对再生的视线点进行上述距离调整。当偏振调制器601未被驱动(即，未被激活)时，将生成2×N个距离较小的视线汇聚点。当偏振调制器601被驱动(被激活)时，仅投射具有一个偏振方向的图像，因此生成N个距离较大的视线汇聚点。例如，相邻汇聚点105之间的距离在偏振调制器601被去激活时在2mm与6mm之间，具体为3mm；在偏振调制器601被激活时在1mm与3mm之间，具体为1.5mm。

这样，将人眼瞳孔大小的变化考虑在内。例如，显示设备100可以用于根据光束102的亮度，具体是当光束102的亮度高于确定阈值时(由于人眼的瞳孔大小将变小)，激活偏振调制器601。

图8示出了本发明实施例提供的设备100，其基于图6构建。图8和图6中的相同元件具有相同的附图标记且功能类似。与图7所示的显示设备100相比，图8所示的显示设备100不包括分光器300。取而代之的是，扁平组合器600包括多个层800。扁平组合器600用于通过将从光学***103(即，透镜602)接收的不同偏振组(502a和502b)的光束中的每组光束空间分离成每层800一组光束802a、802b来产生多组光束102。也就是说，在有N个层800的情况下，当偏振调制器601被去激活时，可以生成2×N个视线点。如果偏振调制器601被激活，则生成N个视线点。

图8所示的显示设备100也可以在光学移位器500和偏振调制器601都没有的情况下实现，即显示设备100可以仅具有具有多个层800的扁平组合器600。扁平组合器600用于通过将从光学***103接收的光束102空间分离成每层800一组光束802a、802b来产生多组光束(102)。在这种情况下，对于具有N个层800的扁平组合器600，生成N个视线汇聚点。可以调整各层800之间的距离以改变相邻汇聚点105之间的距离。

图9示出了本发明实施例提供的方法900。方法900包括步骤901：发射用于形成图像的光束102。此外，方法900包括步骤902：将多组102a、102b光束102的每组光束汇聚到不同的汇聚点105。方法900可以由在先前附图中示出并在上文描述的任何显示设备100执行。

总之，本发明提出使用多个分光器300或多个扁平组合器层800。可选地，这些替代方案中的任一个与光学移位器500组合，以通过将光源101的光束102汇聚在多个点来创建多个视线汇聚点，从而放大显示设备100的眼动框。

已经结合作为实例的不同实施例以及实现方式描述了本发明。然而，根据对附图、本发明和独立权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，能够理解和实现其他变化。在权利要求以及说明书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，且不定冠词“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可满足权利要求书中所叙述的若干实体或项目的功能。仅仅在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施这一事实并不意味着这些措施的组合不能在有利的实现方式中使用。

Claims (11)

1.一种适于头戴式安装的显示设备（100），其特征在于，包括：

光源（101），用于发射用于形成图像的光束（102）；

光学***（103），用于将所述光束（102）引导到光束成形元件（104）；

光学移位器（500），布置在所述光源（101）与所述光学***（103）之间，用于通过将从所述光源（101）接收的所述光束（102）空间分离成两组（502a、502b）不同偏振的光束（102）来产生多组（102a、102b）所述光束（102）;

偏振调制器（601），布置在所述光源（101）与所述光学移位器（500）之间，用于在激活时使提供给所述光学移位器（500）的所述光束（102）偏振; 当所述光束的亮度高于确定阈值时，激活所述偏振调制器;

所述光束成形元件（104），用于将多组（102a、102b）所述光束（102）的每组光束汇聚到不同的汇聚点（105）。

2.根据权利要求1所述的显示设备（100），其特征在于，

所述光束成形元件（104）包括多个分光器（300），用于通过将从所述光学***（103）接收的所述光束（102）空间分离成每个分光器（300）一组光束（302a、302b）来产生多组（102a、102b）所述光束（102）。

3.根据权利要求2所述的显示设备（100），其特征在于，

将所述多个分光器（300）的第一组（300a）沿第一方向依次布置；

将所述多个分光器（300）的第二组（300b）沿第二方向，具体是沿与所述第一方向垂直的第二方向依次布置。

4.根据权利要求1或2所述的显示设备（100），其特征在于，

所述光学***（103）包括：第一透镜（301），用于使所述光束（102）准直；第二透镜（303），用于接收所述准直光束（102）并将汇聚光束（102）输出到所述光束成形元件（104）。

5.根据权利要求1或2所述的显示设备（100），其特征在于，

相邻汇聚点（105）之间的距离在2 mm与6 mm之间，具体为3 mm。

6.根据权利要求1或2所述的显示设备（100），其特征在于，

所述光束成形元件（104）包括具有一个或多个层（800）的扁平组合器（600），用于通过将从所述光学***（103）接收的不同偏振组（502a、502b）的光束（102）中的每组光束空间分离成每层（800）一组光束（802a、802b）来产生多组（102a、102b）所述光束（102）。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，

所述扁平组合器（600）包括衍射光栅。

8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，

所述光学***（103）包括透镜（602），其中，所述透镜（602）用于使从所述光学移位器（500）接收的所述光束（102）准直并将所述准直光束（102）输出到所述扁平组合器（600）。

9.根据权利要求1或2所述的显示设备（100），其特征在于，

相邻汇聚点（105）之间的距离在所述偏振调制器（601）被去激活时在2 mm与6 mm之间，具体为3 mm；在所述偏振调制器（601）被激活时在1 mm与3 mm之间，具体为1.5 mm。

10.根据权利要求1或2所述的显示设备（100），其特征在于，

所述光源（101）为激光扫描投影仪，具体是MEMS投影仪；

发射的每个所述光束（102）与待形成图像的一个像素相关。

11.一种包括程序代码的计算机程序产品，其中，所述程序代码用于控制根据权利要求1至10中任一项所述的显示设备（100）。

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