[发明专利]用于个人显示器的目镜和包括这样的目镜的个人显示器

说明书

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。

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