[发明专利]紧凑型头戴显示系统

说明书

一种头戴显示(HMD)系统，包括：光学装置；第一图像面板，光学装置沿第一光学路径引导来自第一图像面板的图像光；第二图像面板，光学装置沿不同于第一光学路径的第二光学路径引导来自第二图像面板的图像光；及中央图像面板，其位于第一图像面板和第二图像面板之间，且中央图像面板包括第一面板部分和第二面板部分。光学装置沿不同的光学路径引导来自中央图像面板的第一面板部分和第二面板部分的光。光学装置用于将来自第一图像面板和中央图像面板的第一面板部分的光以组合方式沿第一眼睛方向从HMD系统射出，并且来自第二图像面板和中央图像面板的第二面板部分的光以组合方式沿不同于第一眼睛方向的第二眼睛方向从HMD系统射出。

技术领域

本发明应用于紧凑型可穿戴显示领域，尤其应用于诸如虚拟现实和增强现实的头戴显示(Head-Mounted Display，HMD)系统。

背景技术

HMD系统是一种可穿戴设备，在消费电子行业中越来越受欢迎。HMD以及同类设备诸如头盔显示器、智能眼镜和虚拟现实耳机，允许用户佩戴显示设备，使得硬件固定至用户头部而不受运动影响。

当与环境传感器，诸如摄像机、加速计、陀螺仪、指南针和光度计结合使用时，HDM可为用户提供虚拟现实和增强现实体验。虚拟现实(Virtual Reality，VR)允许用户完全沉浸到虚拟世界中，其中用户看到的一切都来自显示设备。提供增强现实(AugmentedReality，AR)的设备允许用户视觉上看到环境，并且由显示设备生成的图像添加到场景中与环境融合。因此，传统的VR和AR技术涉及安装在用户头部前方的显示器，其具有确定虚拟图像位置和场的镜头配置。

典型商业VR或AR系统的基本布局(涵盖涉及和不涉及利用智能手机作为显示器)包括显示设备和将显示光成像到远场以使观看舒适的镜头结构。为了确保足够的放大率，具有宽视场并且在距离眼睛足够远的距离处形成虚像的布置的尺寸是受限的。此外，显示器距离眼睛的距离相对较远，意味着该设备必须绑在头上才能不脱落。另外，佩戴时设备的重量靠前，意味着由于设备的重量在头部周围产生扭矩，长期观察可能使面部和颈部疲劳。这种系统中使用的透镜元件可以是已知的普通曲面透镜，或者是已知的具有角度特征的结构化菲涅耳透镜，或者其它已知的具有一个或多个透镜的透镜结构。

HMD的主要元件之一是安装在头部上的显示模块。然而，由于无辅助人眼无法适应(即，改变光学功率以提供聚焦图像)距离眼睛小于一定距离的图像，目镜需要重新成像显示模块，使得生成的显示图像与用户保持舒适的观看距离。这种光学配置在目镜和显示模块之间需要相当大的空间。此外，如果HMD需要显示高质量和宽视场(Field of View，FOV)的图像，则需要复合透镜。传统系统中的这些需求的结果是头戴式设备沉重且庞大，其在任何时长下的佩戴均不舒适，并且为了实现正确的放大率和虚拟图像距离，其尺寸受基本光学器件的限制。

已经使用许多已知的方法来尝试实现基于图像面板的轻质HMD，而不需要庞大的目镜透镜。“光场显示”(也称为积分成像)提供了最薄的HMD系统之一，但是与其他基于放大镜的HMD一样，光场显示受到了基本限制，显示器的分辨率因较小的硬件外形而大大折衷。

一种用于减小HMD系统的尺寸和重量的已知方法包括使用偏振反射方法来减小尺寸，然而，这种配置需忍受重影图像形成的影响。另一种方法使用具有重叠图像的多个小透镜，以修改所需的放大率，然而，这种布置具有较低的表观分辨率并且可能忍受图像重叠的可见性的影响。申请人共同拥有的申请GB 1621621.0，提交于2016年12月19日，描述了一种替代的重叠法，采用两个显示器和折叠的W形镜子的布置方式，在这种情况下，视场由最大孔径和路径长度限定。

发明内容