CN112346247A - 具有正交面板的紧凑型头戴式显示器*** - Google Patents

Abstract

头戴式显示器(HMD)具有增强的光学***，可以在紧凑的设备中进行高分辨率成像。HMD***包括：光学***；第一图像面板，光学***沿着具有第一长度的第一光路传导来自第一图像面板的图像光；以及第二图像面板，被布置为与第一图像面板正交，光学***沿着不同于第一光路的并具有第二长度的第二光路传导来自第二图像面板的图像光。第一长度等于第二长度，并且其中光学***被配置为使得来自第一图像面板和第二图像面板的光以组合的方式从HMD***在第一眼方向上发射。光学***包括多个反射镜组件和多个透镜组件，其中多个反射镜组件被配置为将图像光从第一和第二图像面板沿着各自的光路传导至多个透镜组件。

Description

具有正交面板的紧凑型头戴式显示器***

技术领域

本发明在紧凑型可穿戴显示器的领域中具有应用，尤其是用于例如虚拟现实和增强现实的应用的头戴式显示器(HMD)***。

背景技术

头戴式显示器(HMD)***是一种在消费电子行业中越来越受欢迎的可穿戴装置。HMDs以及类似的装置(如头盔显示器，智能眼镜和虚拟现实耳机)允许用户佩戴显示装置，从而无论用户如何运动，硬件都可以固定在他们的头上。

当与例如相机、加速计、陀螺仪、指南针和测光表等环境传感器结合时，HMDs可以为用户提供虚拟现实和增强现实的体验。虚拟现实(VR)允许用户完全沉浸在虚拟世界中，其中用户看到的一切都来自显示装置。增强真实(AR)的设备允许用户以光学方式看到环境，显示装置生成的图像将添加到场景中，并可能与环境组合。因此，传统的VR和AR技术涉及一种显示器，该显示器安装在用户头部的前面，其透镜配置确定虚拟图像位置和场。

典型的商用VR或AR***(涉及和不涉及将智能手机用于显示器)的基本布置包括显示装置和将显示光成像到远场以实现舒适视角的透镜结构。为了确保足够的放大倍率，具有较宽的视场并且在距眼睛足够远的距离处具有虚拟图像，这种布置的尺寸受到限制。此外，显示器与眼睛的距离相对较远，这意味着必须将设备绑在头上以免摔落。另外，该装置在佩戴时的重量远大于前，这意味着由于该装置的重量在头部周围产生的扭矩，长期观看可能使面部和颈部感到疲倦。在这样的***中使用的透镜元件可以被配置为已知类型的法向曲面透镜，或者具有已知类型的角度特征的结构化的菲涅耳透镜，或者涉及一个或多个透镜的其他已知透镜布置。例如，US 2002/0181115 A1(Massof，2002年12月5日公开)描述了头部安装的显示器，该显示器使用与球体表面相切的多个透镜来向用户形成显示图像的蒙太奇。

HMDs的主要元件之一是安装在头部的显示模块。然而，由于人眼无法容纳(即改变其光焦度以提供聚焦图像)距离眼睛较近的图像，因此需要用目镜对显示模块重新成像，以形成位于用户舒适的可视距离处的虚拟图像和场。这种光学配置要求目镜和显示模块之间有很大的空间。此外，如果HMD需要显示高质量和宽视野(FOV)的图像，则需要复合透镜。常规***中这些要求的结果是笨重的头戴式，在任何时间段都难以佩戴，并且尺寸受到基本光学器件的限制，以实现正确的放大倍率和虚像距离。例如，WO 2016/118643 A1(Benitez，2016年7月28日公开)描述了一种具有棱镜的沉浸式显示器，该棱镜以特定顺序反射/折射面板的光。

已经使用多种已知方法来尝试实现无需使用笨重的目镜的基于图像面板的轻型HMD。“光场显示器”(也称为整体成像)提供最薄类型的HMD***之一，但与其他基于放大镜的HMD一样，光场显示器也受到一个基本限制，较小的硬件尺寸以显示器的分辨率为代价。例如，US 2014/0168783 A1(Luebke，2014年6月19日公开)描述了一种近眼光场显示器，该显示器使用位于观察者近眼范围内的多个微透镜来模拟观察者聚焦的物体。

一种公知的用于减小HMD***的尺寸和重量的方法包括使用偏振反射方法来减小尺寸。然而，这样的配置会受到重影图像形成的影响。另一种方法是使用多个带有重叠图像的小型透镜，重叠图像会改变所需的放大倍率。例如，WO 2015/077718 A9(Benitez，2015年5月28日公开)描述了一种具有多个小型透镜的浸没式HMD。然而，这种布置具有较低的视分辨率，并且可能遭受图像重叠的可见性。2016年12月19日提交的申请人共有的申请GB1621621.0，描述了一种具有两个显示器和一个折叠的W形镜结构的替代重叠方法。申请人于2018年12月7日提交的共有的申请US 16/212,815,说明了一种类似的重叠方法，其带有平行图像面板以具有更宽的水平视场。但是，US 16/212,815可能会遇到图像重叠的接缝可见性。在这种情况下，视场由最大光圈和路径长度定义。

发明内容

因此，在本领域中，需要一种紧凑的且佩戴舒适的，不牺牲最佳VR和AR应用所需的图像质量的增强型HMD***。本发明提供了重量轻且观看舒适的HMD配置，具有高图像质量和广视角(FOV)。在本公开中描述的HMD***的配置提高了折叠光学***中的图像质量，该折叠光学***使用来自多个图像面板的分段图像。

本公开的HMD***在保持紧凑性的同时降低了使用分割图像的***的接缝可见性。HMD***的配置采用对于用户的每只眼睛彼此正交的图像面板的组合。这种装置的优点是所需的折叠反射镜的数量减少到三个。因此，一个光路仅折叠一次光，并且HMD***从面部突出的距离比以前的设计短，因此可以显著减轻重量，更贴近面部，因此在佩戴时产生更少的疲劳。该设计还意味着近眼光学器件可用于提供较大的FOV，但同时也为用户的鼻部留出空间，以提供更舒适的穿戴配置。

因此，本发明的一方面是头戴式显示器(HMD)，具有增强的允许在紧凑的设备中进行高分辨率成像的光学***。所述HMD***包括：光学***；第一图像面板，所述光学***沿着具有第一长度的第一光路传导来自所述第一图像面板的图像光；以及第二图像面板，被布置为与所述第一图像面板正交，所述光学***沿着不同于所述第一光路的并具有第二长度的第二光路传导来自所述第二图像面板的图像光。所述第一长度等于所述第二长度，并且其中所述光学***被配置为使得来自所述第一图像面板和所述第二图像面板的光以组合的方式从所述HMD***在第一眼方向上发出。可以针对每只眼睛分别提供这样的配置。

所述光学***包括多个反射镜组件和多个透镜组件，其中所述多个反射镜组件被配置为将图像光从所述第一和第二图像面板沿着各自的光路传导至所述多个透镜组件。所述光学***包括第一反射镜组件，将图像光从所述第一图像面板导向至第一透镜组件；以及第二反射镜组件，将图像光从所述第二图像面板导向至所述第一透镜组件。所述第二反射镜组件具有包括多个反射镜片的折叠结构。所述光学***包括其他组件，例如一个或多个偏振片、四分之一波片延迟器、栅格薄膜和/或副透镜，其有助于沿着期望的光路传输图像光。

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。以下说明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是根据本发明实施例的示例性头戴式显示器(HMD)***中的光学***的侧视图。

图2A和图2B是根据本发明的实施例的另一具有附加的偏振片和四分之一波片的示例性HMD***的侧视图。

图3是根据本发明实施例的另一具有附加的应用至图像面板的栅格薄膜的示例性HMD***的侧视图。

图4是根据本发明实施例的另一具有附加的校正透镜元件的示例性HMD***中的侧视图。

图5是描绘根据本发明的实施例的包括曲面镜组件的另一示例性HMD***的侧视图。

图6是描绘根据本发明的实施例的具有用于用户的每只眼睛的光学***的图1的示例性HMD***的轴测图。

图7是描绘根据本发明的实施例的具有可调整的瞳距的图1的示例性HMD***的轴测图。

图8是描绘根据本发明的实施例的具有统一光学***的示例性HMD***的轴测图。

图9是描绘根据本发明的实施例的具有可调整的瞳距和统一的光学***的示例性HMD***的轴测图。

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器件。可以理解，附图不一定按比例绘制。

本文所述的装置减小了由于接合不同图像面板的两个图像而导致的接缝可见性，并且扩展了没有可见接缝的用户眼睛移动的可能范围。图1是根据本发明实施例的示例性头戴式显示器(HMD)***10中的光学***的侧视图。在示例性实施例中，用于HMD***10的光学***位于用户的每只眼睛的前面，并且HMD***包括四个图像面板，包括尺寸相等的第一和第二图像面板，以及尺寸相等的第三和第四图像面板，该第三和第四图像面板可以通过光学***与第一/第二图像面板中之一重叠地组合，从而为用户的形成广视角(FOV)图像。

图1示出了仅与一只眼睛相关的HMD***10组件。可以理解的是，相对于另一只眼睛可以提供该些附图中描绘的类似组件。参照附图，第一图像面板12用于以非共享的方式向用户的眼睛16呈现图像，并且位于用户的眼睛16的第一侧(从附图的角度看，眼睛的左侧)。HMD***10还包括第二图像面板14，该第二图像面板14与第一图像面板12正交并且位于用户的眼睛16的与第一侧相对的第二侧(在附图的角度看，眼睛的右侧)。光学***沿着不同的光路传导来自第一图像面板12和第二图像面板14的光。

光学***传导来自两个图像面板12和14的光以形成组合图像，使得图像最佳地填满典型的人类视角。图像显示面板可以被以本领域公知的任何合适的方式结合到HMD***中的合适的电子设备进行电子控制，以从每个图像面板发射与期望的图像相对应的图像光。因此，为了简化图示，图中省略了电子控制设备。

在光学***的配置中，第一图像面板12被配置在与从第二图像面板14延伸的平面基本正交的位置。这种装置的优点在于，利用具有更少组件的HMD***可以产生更长的光路，并且HMD***从面部突出的距离比以前的设计短，因此可以显著减小重量。与常规构造相比，***整体的位置更接近于面部，因此相对于头部产生的扭矩较小，从而减少了佩戴时的疲劳。该设计还意味着近眼光学器件可用于提供较大的FOV，但同时也为用户的鼻子18留出空间，以提供更舒适的穿戴配置。

图像面板被设置于发出最佳填满典型的视角的光的位置。光学***的反射镜组件和透镜组件沿着第一光路11传导来自第一图像面板12的图像光，并且沿着第二光路13传导来自第二图像面板14的光。第一图像面板12被设置于光学***10中使得第一光路11的长度等于第二光路13的长度的位置。尽管第一光路11折叠发射光一次而第二光路13折叠发射光两次，但是该长度是相等的。

尽管未示出，但是在完整的HMD***中，光学***将来自第三图像面板的光沿着第三光路传导并且将来自第四图像面板的光沿着第四光路传导到用户的第二只眼睛。HMD***10的光学***被配置成使得来自第一图像面板12和第二图像面板14的光以组合的方式从HMD***沿第一方向朝向用户的眼睛16发射，并且来自第三图像面板和第四图像面板的光以组合的方式从HMD***沿不同于第一方向的第二方向朝向用户的第二只眼睛发射。

为了将来自图像面板的光发射到用户的眼睛，HMD***10的光学***可包括多个反射镜组件和多个透镜组件，其中所述多个反射镜组件被配置为将来自第一、第二、第三与第四图像面板的图像光沿着各自的光路传导至所述多个透镜组件。在示例性实施例中，HMD***10的光学***可包括用于HMD***的每一侧的三个反射镜。例如，一个反射镜和一个图像面板用于基于从第一图像面板发射的图像光来形成图像的第一部分，并且两个反射镜和一个图像面板用于基于从第二个图像面板发射的图像光来形成图像的第二部分(第二只眼中采用类似的元件)。

参照图1的光学***的示例，该示例仅与一只眼的成像有关，图像的第一部分由第一反射镜组件22、第一透镜组件24和第一图像面板12发射。与第二图像面板14正交的第一图像面板12的水平位置减小了接缝可见性因此提高了图像质量。第一反射镜组件22将来自第一图像面板12的图像光沿着第一光路11传导至第一透镜组件24，并最终传导至用户的眼睛16。为了最小化HMD***的尺寸或占用空间，第一反射镜组件22可以配置有单个反射镜，从而在保持最小尺寸的同时延长了光的光路11。通过这种配置，从第一图像面板12发出的光被第一反射镜组件22仅传导经过第一透镜组件24，因此仅传导到一只眼睛。第一光路11折叠光一次来形成图像的第一部分。

图像的第二部分由第二反射镜组件36、第一透镜组件24和第二图像面板14发射。第二图像面板14是竖直的，来为用户的鼻子18留出空间。第二反射镜组件36将来自第二图像面板14的图像光沿着第二光路13传导至第一透镜组件24并最终传导至用户的眼睛16。第二反射镜组件36配置有多个反射镜分段，该些反射镜分段布置成保持最小的尺寸并提供紧凑且易于穿戴的构造。对于特定的反射镜片，第二反射镜组件36包括在穿戴时与使用者的鼻子18相邻的第一鼻部段37及与第一鼻部段37相对的第一外部段38。在示例性实施例中，第一外部段38可以与第一反射镜组件22形成为单片，其中反射镜元件38和22被配置为L状刀刃镜以进一步改善图像组合。第一鼻部段37布置成在穿戴HMD***时容纳用户的鼻子18，第一外部段38允许以紧凑的布置来控制图像光的导向。第一鼻部段37和第一外部段38可以是平行的。第二光路13折叠光二次来形成图像的第二部分。

尽管以垂直布置中进行了讨论，但是光学***10可以水平放置，使得第一图像面板12位于用户的FOV的外边缘，且第二图像面板14位于FOV的中心并位于用户的鼻子18上方。

图2A和图2B是包括根据本发明的实施例的光学***的另一示例性HMD***的侧视图，该光学***具有附加的偏振片和四分之一波片。HMD***20包括具有附加的偏振片和四分之一波片延迟器(QWPs)的光学***。图像面板、反射镜组件和透镜组件的配置与图1的实施例中的类似。因此，在图2A中省略了用于此类相似组件的附图标记(并且在随后的附图中也同样省略了附图标记)，以便更清楚地识别各个实施例的附加特征。通常，在图2A的配置中，可以将偏振片和QWPs添加到HMD***20的光学***中以最小化重影成像，从而改善整体图像质量。

图2A的示例配置特别适用于采用发射原有偏振光的图像面板的HMD***，例如液晶显示器(LCD)装置。LCDs通常会发射原有偏振的光。另外，如果反射光和非反射光都从图像面板到达透镜组件，则可能会产生重影。因此，各种图像面板可以是发射原有偏振光的图像面板类型，并且添加了偏振片和QWPs以确保仅沿着光学路径的特定部分发出的光可以通过透镜发射至用户。

因此，在示例性实施例中，光学***还包括位于透镜组件上的偏振片40以及分别位于与第一图像面板相关联的第一反射镜组件和与第二图像面板相关联的第一鼻部段上的第一QWP 42和第二QWP 44。第二个图像面板。光学***包括偏振片40，以阻挡光穿过图像显示面板的原有偏振46的透镜。以此方式，例如，光不能直接从第一图像面板12穿过透镜组件24。光学***还包括多个QWP。第一QWP 42和第二QWP 44用于将来自LCD的原有偏振46的光的偏振改变为可以通过偏振片40的偏振48。以这种方式，光仅沿着期望的光路通过透镜组件，从而使光可以通过QWPs改变偏振，然后通过反射镜组件的反射将其导向到透镜组件。通过限制光通过透镜仅沿着特定的光路，避免了重影。当佩戴HMD***时，这种布置使偏光器40相对于眼睛位于透镜组件的后面(如图2A所示)或位于眼睛前面的情况下，使重影图像最小。

如上所述，图2A的示例配置特别适用于采用通常发射原有偏振光的图像面板的HMD***。图2B中的实施例使用发射原有非偏振光的第一和第二图像面板。对于原有发出非偏振光的图像面板(例如有机发光二极管显示器或OLED显示器)，可以在图像面板前面的非观看侧放置附加的偏振片，以达到类似的效果。以此方式，从OLED图像面板发射的非偏振光立即被类似地偏振，就和该光已经以原有偏振从图像面板发射一样。图2B描绘了该种实施例，其中在每个图像显示面板上提供第一图像面板偏振片50和第二图像面板偏振片52。可以像在图2A的实施例中一样将QWP 42和44设置在相对的反射镜上。

图3是描绘根据本发明的实施例的另一示例性头戴式显示器(HMD)***30的侧视图，该***30包括第一栅格薄膜51和第二栅格薄膜53，分别施加于所述第一和第二图像面板中的每一个以作为导光组件。第一栅格薄膜51和第二栅格薄膜53用于将图像光朝着正确的反射镜元件导向并远离透镜组件，使得只有沿着期望的光路的光透过透镜组件发射。使用第一栅格薄膜51和第二栅格薄膜53的构造具有不需要来自图像面板的光被偏振的优势。通过使用定向背光源而不是栅格薄膜，也可以实现将光沿期望的光路传导的类似定向效果。

作为使用导光组件的另一示例，图4是描绘根据本发明的实施例的另一示例性HMD***40的侧视图，该HMD***40包括第一校正透镜元件54和第二校正透镜元件56，其被并入HMD***40的光学***中以作为导光组件。如图所示，第一校正透镜元件54和第二校正透镜元件56用作每个光路的副透镜。该配置最小化几何失真，并且以其他方式操作以减少诸如色差之类的图像像差。每个第一校正透镜元件54和第二校正透镜元件56可以是曲面透镜、自由形式的透镜结构或菲涅耳透镜结构。校正透镜元件可以与其他实施例描述相关的QWPs，偏振片和栅格薄膜中的一个或多个结合。

图5是描绘根据本发明的实施例的另一示例性HMD***58的侧视图，该HMD***58包括曲面镜组件。HMD***58包括具有曲面镜组件60的光学***。曲面镜组件60包括第一曲面镜62和第二曲面镜64。曲面镜组件60可以被配置为代替前述的实施例的透镜和平面镜。例如，第一曲面镜62和第二曲面镜64可以同时折叠光路并提供聚焦能力。第一曲面镜62和第二曲面镜64的特征在于球形，非球形或自由曲线或其组合。曲面镜组件60可以与其他实施例描述相关的QWPs，偏振片和栅格薄膜中的一个或多个结合。

在示例性实施例中，图像面板和透镜组件之间的空间可以用透明折射材料填充。折射材料用于改善视野。透明折射材料可以是空气，也可以是透明塑料材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或类似类型的丙烯酸或类似的透明塑料材料。折射材料可以被成形为适合于图像面板和透镜组件之间的区域，并且可以被附着到或不被附着到图像面板本身。

另外，可以将折射材料与图1和图2的实施例的组件结合使用。图2A和2B包括附加的偏振片和QWPs。偏振片和QWPs可以结合到折射材料，从而如上所述的减少重影。在折射材料的抛光表面上(即光通过的地方)上的抗反射涂层也将有助于减少重影并提高效率。折射材料也可以与图3的栅格薄膜结合使用，和/或与图4的校正透镜组元件结合使用。透镜组件可以与折射材料一体形成，即，透镜组件可以是相应的折射材料的弯曲形状，或者透镜组件可以是结合到相应的折射材料的单独的元件。2018年12月7日提交的第16/212815号美国专利申请中提供了与折射材料相关的附加说明，出于所有目的，特此通过引用将其全部公开并入本文。

图6是描绘示例性HMD***66的轴测图，其与图1的实施例相当，具有***的替代配向。图6至图9所示的方向是注视目镜的方向，即从佩戴HMD***66时的用户的方向看。HMD***66包括与用户的右眼R和左眼L相对应的第一光学***68R和第二光学***68L。每个光学***包括如上所述的一个透镜、三个反射镜和两个显示面板。尽管已经就光学***讨论了一些实施例，但是应当理解，术语光学***包括具有类似元件的光学引擎，该光学引擎被配置为向用户显示图像类似元件。

在示例性实施例中，第一图像面板12R和第三图像面板12L位于用户的眼睛之间的眼轴A的相对侧。第二图像面板14R和第四图像面板14L也位于眼轴A的相对侧。在一个示例性实施例中，第一和第二透镜组件24R和24L垂直于眼轴A延伸。在另一个示例性实施例中，第一和第二透镜组件24R和24L相对于眼轴A以偏离垂直的锐角延伸。以这种方式，与目镜不共面的图像面板相对于眼轴向下定位，以给予舒适地放置鼻子和颧骨的空间。然后执行适当的图像处理，以使两只眼睛中的图像正确对齐。

如上所述，在图6的示例中，第一和第二透镜组件24R和24L相对于眼轴A垂直延伸，尽管第一和第二透镜组件24R和24L可以基本上垂直地延伸，并且相对于眼轴A偏离垂直的任何锐角，以便最佳地允许并配置鼻子的额外空间。

在这方面，图7是描绘示例性HMD***66a的轴测图，其中还可以通过一种机构来调整瞳距(IPD)70，以使第一光学***68R进一步远离或靠近第二光学***68L。图像显示面板可以用本领域中公知的任何合适的方式结合到HMD***66a中的合适的电子设备进行电子控制。电子设备可以被配置为确定第一光学***68R和第二光学***68L之间的IPD70，并且调整发射的图像光以对应于期望的图像。

图8是描绘具有统一光学***的示例性HMD***72的轴测图。HMD***72包括第一图像面板74、与第一图像面板74正交的第二图像面板76、右透镜组件78R、左透镜组件78L、顶反射镜组件80、底反射镜组件82和光束挡板84。HMD***72可以被光束挡板84分隔成右侧86R和左侧86L。串扰和散射光可以被HMD***72中的光束挡板84吸收。光束挡板84可以使用黑色吸收材料(例如金属、塑料等)形成。

HMD***72的右侧86R和左侧86L上的图像的上半部可以由第一图像面板74和顶反射镜组件80形成。第一图像面板74可以是单个显示器，配置为在第一图像面板74的右侧显示第一图像74R，在第二图像74L的左侧显示第二图像74L。第一图像74R和第二图像74L可以通过光束挡板84分开。顶反射镜组件80可以是单个反射镜，其右侧和左侧由光束挡板84分开。顶反射镜组件80将来自第一图像面板74的图像光沿着第一光路传导至右透镜组件78R和左透镜组件78L并最终到达用户的眼睛。形成顶部图像的光沿着由第一图像面板74和顶反射镜组件80形成的光路折叠一次。

HMD***72的右侧86R和左侧86L上的图像的下半部可以由第二图像面板76和底反射镜组件82形成。第二图像面板76可以是单个显示器,配置为在第二图像面板76的右侧显示第一图像76R，在第二图像76L的左侧显示第二图像76L。第一图像76R和第二图像76L可以通过光束挡板84分开。底反射镜组件80底反射镜组件82可包括在佩戴时与用户的鼻子相邻的鼻镜88和与鼻镜88相对的外部反射镜90。底反射镜组件82可被配置成其右侧和左侧由光束挡板84分开。底反射镜组件82将来自第二图像面板76的图像光沿着第二光路传导至右透镜组件78R和左透镜组件78L，并最终到达用户的眼睛。形成底部图像的光沿着由第二图像面板76，鼻侧镜88和外部反射镜90形成的第二光路折叠两次。HMD***72配置为使得顶半部分的一部分图像的一部分和图像底半部分的一部分重叠以最小化接缝可见性。

图9是描绘示例性HMD***72a的轴测图，该***72a还包括可调整的瞳距和统一的光学***。HMD***72的右透镜组件78R和左透镜组件78L可以配置有可调整的IPD92。HMD***72包括使右透镜组件78R进一步远离或靠近左透镜组件78L移动的机构。图像显示面板可以用本领域中公知的任何合适的方式结合到HMD***72中的合适的电子设备进行电子控制。电子设备可以被配置为确定右透镜组件78R和左透镜组件78L之间的IPD92，并调整发射的图像光以对应于期望的图像。

因此，本发明的一个方面为一种头戴式显示器(HMD)，具有增强的允许在紧凑的设备中进行高分辨率成像的光学***。在示例性实施例中，头戴式显示器(HMD)***包括：光学***；第一图像面板，所述光学***沿着具有第一长度的第一光路传导来自所述第一图像面板的图像光；以及第二图像面板，被布置为与所述第一图像面板正交，所述光学***沿着不同于所述第一光路的并具有第二长度的第二光路传导来自所述第二图像面板的图像光。所述第一长度等于所述第二长度，并且其中所述光学***被配置为使得来自所述第一图像面板和所述第二图像面板的光以组合的方式从所述HMD***在第一眼方向上发射。所述HMD***可以单独或组合包括以下一个或多个特征。

在HMD***的一示例性实施例中，所述光学***包括多个反射镜组件和多个透镜组件，其中所述多个反射镜组件被配置为将图像光从所述第一和第二图像面板沿着各自的光路传导至所述多个透镜组件。

在HMD***的一示例性实施例中，所述光学***包括第一反射镜组件，将图像光从所述第一图像面板导向至第一透镜组件；以及第二反射镜组件，将图像光从所述第二图像面板导向至所述第一透镜组件。

在HMD***的一示例性实施例中，所述第二反射镜组件具有包括多个反射镜片的折叠结构。

在HMD***的一示例性实施例中，所述光学***还包括位于每个所述透镜组件上的偏振片，以及分别位于与所述第一和第二图像面板分别相关的反射镜组件上的四分之一波片延迟器。

在HMD***的一示例性实施例中，所述光学***包括多个导光组件，所述多个导光组件被配置为沿着相应的所述第一或第二光路传导光。

在HMD***的一示例性实施例中，所述多个导光组件包括位于所述第一和第二图像面板中的至少一个上的栅格薄膜。

在HMD***的一示例性实施例中，所述多个导光组件包括多个校正透镜元件，所述多个校正透镜元件用作从所述第一和第二图像面板中的每一个发射的光的光路的副透镜。

在HMD***的一示例性实施例中，图像面板和透镜组件之间的空间填充有透明折射材料。

在HMD***的一示例性实施例中，所述光学***被配置为形成与所述第一图像面板相关的第一图像和与所述第二图像面板相关的第二图像，并且其中所述第一图像的一部分与所述第二图像的一部分重叠。

在HMD***的一示例性实施例中，所述HMD***还包括光束挡板，配置为将所述HMD***分成右侧和左侧。

在HMD***的一示例性实施例中，所述第一图像面板被配置为在右侧显示第一顶部图像并且在左侧显示第二顶部图像，所述第二图像面板被配置为在右侧显示第一底部图像并且在左侧显示第二底部图像。

在HMD***的一示例性实施例中，所述HMD***包括：光学***；第一图像面板，所述光学***沿着具有第一长度的第一光路传导来自所述第一图像面板的图像光；第二图像面板，被布置为与所述第一图像面板正交，所述光学***沿着不同于所述第一光路的并具有第二长度的第二光路传导来自所述第二图像面板的图像光；第三图像面板，其中，所述光学***沿着具有所述第一长度的第三光路传导来自所述第三图像面板的图像光；以及第四图像面板，被布置为与所述第三图像面板正交，所述光学***沿着不同于所述第一光路的并具有所述第二长度的第二四光路传导来自所述第四图像面板的图像光，其中所述第一长度等于所述第二长度，并且其中所述光学***被配置为使得来自所述第一图像面板和所述第二图像面板的光在第一眼方向上以组合的方式从所述HMD***发射，以及使得来自所述第三图像面板和所述第四图像面板的光在第二眼方向上以组合的方式从所述HMD***发射。

在HMD***的一示例性实施例中，所述光学***包括多个反射镜组件和多个透镜组件，其中所述多个反射镜组件被配置为将图像光从所述第一、第二、第三和第四图像面板沿着各自的光路传导至所述多个透镜组件。

在HMD***的一示例性实施例中，第一反射镜组件，将图像光从所述第一图像面板导向至第一透镜组件；第二反射镜组件，将图像光从所述第二图像面板导向至所述第一透镜组件；第三反射镜组件，将图像光从所述第三图像面板导向至第二透镜组件；以及第四反射镜组件，将图像光从所述第四图像面板导向至所述第二透镜组件。

在HMD***的一示例性实施例中，所述第二反射镜组件和所述第四反射镜组件具有包括多个反射镜片的折叠结构。

在HMD***的一示例性实施例中，所述光学***还包括位于每个所述透镜组件上的偏振片，以及分别位于与所述第一至第四图像面板分别相关的反射镜组件上的四分之一波片延迟器。

在HMD***的一示例性实施例中，所述光学***包括多个导光组件，所述多个导光组件被配置为沿着相应的所述第一至第四光路传导光。

在HMD***的一示例性实施例中，所述多个导光组件包括位于所述第一、第二、第三和第四图像面板上的栅格薄膜。

在HMD***的一示例性实施例中，所述多个导光组件包括多个校正透镜元件，所述多个校正透镜元件用作从所述第一、第二、第三和第四图像面板中的每一个发射的光的光路的副透镜。

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。特别是关于由上述器件(部件，组件，装置，组合物等)执行的各种功能，用于描述这些器件的术语(包括对“方法”的引用)旨在对应，除非另有说明，对于执行所述器件的指定功能的任何器件(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。

产业上的实用性

本发明涉及可穿戴显示器，尤其是用于实现小型和轻型头戴式显示器(HMD)***。使用本发明制造的硬件可用于消费者和专业市场的虚拟现实(VR)和增强现实(AR)领域。根据本发明制造的头盔显示器***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。

附图标记说明

10–头戴式显示器(HMD)***

11–第一光路

12–第一图像面板

12R–右眼第一图像面板

12L–左眼第三图像面板

13–第二光路

14–第二图像面板

14R–右眼第二图像面板

14L–左眼第四图像面板

16–眼睛

18–鼻子

20–示例性HMD***

22–第一反射镜组件

24–第一透镜组件

24R–右眼第一透镜组件

24L–左眼第二透镜组件

30–示例性HMD***

36–第二反射镜组件

37–第一鼻部段

38–第一外部段

40–示例性HMD***

42–第一QWP

44–第二QWP

46–原有偏振

48–偏振

50–第一图像面板偏振片

51–第一栅格薄膜

52–第二图像面板偏振片

53–第二栅格薄膜

54–第一校正透镜元件

56–第二校正透镜元件

58–示例性HMD***

60–曲面镜组件

62–第一曲面镜

64–第二曲面镜

66–示例性HMD***

66a–示例性HMD***

68R–右眼第一光学***

68L–左眼第二光学***

70–瞳距

72–示例性HMD***

72a–示例性HMD***

74–第一图像面板

74R–第一图像

74L–第二图像

76–第二图像面板

76R–右眼第一图像

76L–左眼第二图像

78R–右透镜组件

78L–左透镜组件

80–顶反射镜组件

82–底反射镜组件

84–光束挡板

86R–HMD***的右侧

86L–HMD***的左侧

88–鼻镜

90–外部反射镜

92–瞳距可调整

Claims (20)

1.一种头戴式显示器***，其特征在于，包括：

光学***；

第一图像面板，所述光学***沿着具有第一长度的第一光路传导来自所述第一图像面板的图像光；以及

第二图像面板，被布置为与所述第一图像面板正交，所述光学***沿着不同于所述第一光路的并具有第二长度的第二光路传导来自所述第二图像面板的图像光，

其中，所述第一长度等于所述第二长度，并且其中所述光学***被配置为使得来自所述第一图像面板和所述第二图像面板的光以组合的方式从所述头戴式显示器***在第一眼方向上发出。

2.如权利要求1所述的头戴式显示器***，其特征在于，

所述光学***包括多个反射镜组件和多个透镜组件，其中所述多个反射镜组件被配置为将图像光从所述第一和第二图像面板沿着各自的光路传导至所述多个透镜组件。

3.如权利要求2所述的头戴式显示器***，其特征在于，所述多个反射镜组件包括第一反射镜组件与第二反射镜组件，所述多个透镜组件包括第一透镜组件，

所述第一反射镜组件将图像光从所述第一图像面板导向至第一透镜组件，

所述第二反射镜组件将图像光从所述第二图像面板导向至所述第一透镜组件。

4.如权利要求3所述的头戴式显示器***，其特征在于，

所述第二反射镜组件具有包括多个反射镜片的折叠结构。

5.如权利要求2至4中任一项所述的头戴式显示器***，其特征在于，

所述光学***还包括位于每个所述透镜组件上的偏振片，以及分别位于与所述第一和第二图像面板分别相关的反射镜组件上的四分之一波片延迟器。

6.如权利要求1至5中任一项所述的头戴式显示器***，其特征在于，

所述光学***包括多个导光组件，所述多个导光组件被配置为沿着相应的所述第一或第二光路导光。

7.如权利要求6所述的头戴式显示器***，其特征在于，

所述多个导光组件包括位于所述第一和第二图像面板中的至少一个上的栅格薄膜。

8.如权利要求6所述的头戴式显示器***，其特征在于，

所述多个导光组件包括多个校正透镜元件，所述多个校正透镜元件用作从所述第一和第二图像面板中的每一个发射的光的光路的副透镜。

9.如权利要求1至8中任一项所述的头戴式显示器***，其特征在于，

图像面板和透镜组件之间的空间填充有透明折射材料。

10.如权利要求1至9中任一项所述的头戴式显示器***，其特征在于，

所述光学***被配置为形成与所述第一图像面板相关的第一图像和与所述第二图像面板相关的第二图像，并且其中所述第一图像的一部分与所述第二图像的一部分重叠。

11.如权利要求1至10中任一项所述的头戴式显示器***，其特征在于，

还包括光束挡板，配置为将所述头戴式显示器***分成右侧和左侧。

12.如权利要求11所述的头戴式显示器***，其特征在于，

所述第一图像面板被配置为在右侧显示第一顶部图像并且在左侧显示第二顶部图像，所述第二图像面板被配置为在右侧显示第一底部图像并且在左侧显示第二底部图像。

13.一种头戴式显示器***，其特征在于，包括：

光学***；

第一图像面板，所述光学***沿着具有第一长度的第一光路传导来自所述第一图像面板的图像光；

第二图像面板，被布置为与所述第一图像面板正交，所述光学***沿着不同于所述第一光路的并具有第二长度的第二光路传导来自所述第二图像面板的图像光；

第三图像面板，其中，所述光学***沿着具有所述第一长度的第三光路传导来自所述第三图像面板的图像光；以及

第四图像面板，被布置为与所述第三图像面板正交，所述光学***沿着不同于所述第一光路的并具有所述第二长度的第二四光路传导来自所述第四图像面板的图像光，

其中所述第一长度等于所述第二长度，并且其中所述光学***被配置为使得来自所述第一图像面板和所述第二图像面板的光在第一眼方向上以组合的方式从所述头戴式显示器***发射，以及使得来自所述第三图像面板和所述第四图像面板的光在第二眼方向上以组合的方式从所述头戴式显示器***发射。

14.如权利要求13所述的头戴式显示器***，其特征在于，

所述光学***包括多个反射镜组件和多个透镜组件，其中所述多个反射镜组件被配置为将图像光从所述第一、第二、第三和第四图像面板沿着各自的光路传导至所述多个透镜组件。

15.如权利要求14所述的头戴式显示器***，其特征在于，

第一反射镜组件，将图像光从所述第一图像面板导向至第一透镜组件；

第二反射镜组件，将图像光从所述第二图像面板导向至所述第一透镜组件；

第三反射镜组件，将图像光从所述第三图像面板导向至第二透镜组件；以及

第四反射镜组件，将图像光从所述第四图像面板导向至所述第二透镜组件。

16.如权利要求15所述的头戴式显示器***，其特征在于，

所述第二反射镜组件和所述第四反射镜组件具有包括多个反射镜片的折叠结构。

17.如权利要求14至16中任一项所述的头戴式显示器***，其特征在于，

所述光学***还包括位于每个所述透镜组件上的偏振片，以及分别位于与所述第一至第四图像面板分别相关的反射镜组件上的四分之一波片延迟器。

18.如权利要求13至17中任一项所述的头戴式显示器***，其特征在于，

所述光学***包括多个导光组件，所述多个导光组件被配置为沿着相应的所述第一至第四光路传导光。

19.如权利要求18所述的头戴式显示器***，其特征在于，

所述多个导光组件包括位于所述第一、第二、第三和第四图像面板上的栅格薄膜。

20.如权利要求18所述的头戴式显示器***，其特征在于，

所述多个导光组件包括多个校正透镜元件，所述多个校正透镜元件用作从所述第一、第二、第三和第四图像面板中的每一个发射的光的光路的副透镜。

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