[发明专利]紧凑型头戴式显示器系统

说明书

一种头戴式显示器(HMD)系统包括光学装置；第一图像面板，其中该光学装置沿着第一光路引导来自第一图像面板的图像光；第二图像面板，其中该光学装置沿着第二光路引导来自第二图像面板的图像光，第二光路不同于第一光路；以及第三图像面板和第四图像面板，其中第三图像面板和第四图像面板彼此间隔开，并且该光学装置沿着不同的光路引导来自第三图像面板和第四图像面板的光。该光学装置配置为使得来自该第一图像面板和第三图像面板的光以组合方式在第一眼方向上从该HMD系统发出，以及来自该第二图像面板和第四图像面板的光以组合方式在第二眼方向上从该HMD系统发出，且所述第二眼方向不同于所述第一眼方向。

技术领域

本发明应用于紧凑型可穿戴显示器领域中，尤其是应用于如虚拟现实和增强现实等的头戴式显示器(HMD)系统领域中。

背景技术

头戴式显示器(HMD)系统是一种在消费电子行业内日渐流行的可穿戴式设备。HMD以及头盔显示器、智能眼镜和虚拟现实头戴装置等类似设备使得用户能够穿戴显示器，以便不论用户如何移动，该硬件依然固定在用户头部。

在与如摄像头、加速仪、陀螺仪、指南针和照度计等环境传感器组合时，HMD能够为用户提供虚拟现实和增强现实中的体验。虚拟现实(VR)使得用户能够完全沉浸到用户所见均来自显示设备的虚拟世界中。提供增强现实(AR)的设备使得用户能够目视观看环境，以及将该显示设备生成的图像加入到场景中并且可以与环境融合。相应地，传统的VR和AR技术包括安装在用户头部前方的显示器，该显示器具有确定虚拟图像位置和场的透镜配置。

典型的商用VR或AR系统的基本设计(包括以及不包括将智能电话用于显示)包括显示器设备以及将显示器光成像到远场中以便能够舒适观看的透镜结构。为了确保足够的放大倍率、较宽的视场以及使虚拟图像与眼睛相距足够远的距离，这种装置的尺寸受到限制。此外，该显示器与眼睛相距相对较远的距离，这意味着该设备必须绑定到头部以便不至于会滑落。再者，该设备在穿戴时其重量靠前，这意味着长时间观看可能会由于设备重量在头部附近产生的扭矩而造成面部和颈部疲惫感。此类系统中使用的镜头元件可以配置为公知类型的普通曲面透镜，或公知类型的具有成角度特征的结构化菲涅耳透镜或包括一个或多个透镜的其他公知的透镜装置。

HMD的初级元件之一是安装在头部的显示模块。然而，因为人类肉眼无法适应(即，改变光功率来提供聚焦图像)距离眼睛一定距离以内的图像(即，改变光功率来提供聚焦图像)，所以需要目镜透镜对显示模块重新成像，以使显示图像呈示在与用户相距适合观看的距离处。此类光配置需要目镜与显示模块之间有相当大的空间。再者，如果HMD需要以高质量和宽视场(FOV)来显示图像，则需要复杂透镜。常规系统中的这些需求导致头戴装置笨重，哪怕穿戴时间很短也会不舒服，以及为实现正确的放大倍率和虚拟图像距离，尺寸受到基本光学元件的限制。

多个公知的方法可用于实现基于图像面板且重量轻的HMD，且无需笨重的目镜透镜。“光场显示”(也称为全景成像)提供最薄型HMD系统之一，但是连同其他基于放大器的HMD，光场显示器均受到根本性限制，从而以大大降低显示器的分辨率为代价来换取更小的硬件形状因子。

一种用于减小HMD系统的尺寸和重量的公知方法包括采用偏振反射法来减小尺寸。然而，此类配置存在形成重影图像的问题。另一种方法采用具有重叠图像的多个小透镜，以修改必需的放大倍率。然而，这种装置的表观分辨率较低，并且存在图像重叠的可见性问题。申请人共同拥有的申请GB 1621621.0(于2016年12月19日提交)描述了一种交替重叠方法，其具有两个显示器以及一个折叠式W形反射镜装置。在此情况下，视场由最大光圈和路径长度来界定。

发明内容

因此，本领域需要一种增强型HMD系统，其结构紧凑且穿戴舒适，不会牺牲最优VR和AR应用所需的图像质量。本发明提供了重量轻且观看舒适的HMD配置，其具有高图像质量和宽视场(FOV)。本公开中描述的HMD系统的配置通过如下方式解决了现有HMD系统的问题：使用来自多个图像面板的分割图像来折叠HMD光路，以使从图像面板到眼睛的光距离能够在不牺牲HMD系统厚度的情况下得以增大。