[发明专利]具有正交面板的紧凑型头戴式显示器系统

说明书

头戴式显示器(HMD)具有增强的光学系统，可以在紧凑的设备中进行高分辨率成像。HMD系统包括：光学系统；第一图像面板，光学系统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，光学系统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，并且其中光学系统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系统在第一眼方向上发射。光学系统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。

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)系统。

背景技术

头戴式显示器(HMD)系统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系统(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。在这样的系统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。常规系统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系统之一，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。