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CN104126144B - 用于偏移头戴式显示器的光束倾斜 - Google Patents

用于偏移头戴式显示器的光束倾斜 Download PDF

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CN104126144B
CN104126144B CN201380010022.XA CN201380010022A CN104126144B CN 104126144 B CN104126144 B CN 104126144B CN 201380010022 A CN201380010022 A CN 201380010022A CN 104126144 B CN104126144 B CN 104126144B
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eyepiece
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light
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Abstract

本发明揭示一种用于头戴式显示器的目镜，其包含显示模块、端反射体及观看区域。所述端反射体安置于所述目镜的与所述显示模块相对的端处，以使显示光从正向传播路径到反向传播路径往回反射。所述观看区域安置于所述显示模块与所述端反射体之间且包含部分反射表面，所述部分反射表面使沿所述正向传播路径行进的所述显示光通过，且沿发射路径重新导引沿所述反向传播路径行进的所述显示光从所述目镜的眼区侧离开。所述部分反射表面具有复合折弯角，使得从所述目镜发射的所述显示光的所述发射路径沿相对于所述端反射体与所述部分反射表面之间的所述反向传播路径的两轴折弯。

Description

用于偏移头戴式显示器的光束倾斜
技术领域
本发明大体上涉及光学领域，且特定来说(但非排他地)涉及头戴式显示器。
背景技术
头戴式显示器(“HMD”)为戴在头上或戴在头部附近的显示装置。HMD通常并入某种近眼光学系统以在人眼的几厘米范围内发射光图像。单眼显示器称为单目HMD而双眼显示器称为双目HMD。一些HMD显示器仅显示计算机产生图像(“CGI”)而阻碍用户的外部视野。这些HMD显示器通常为称为虚拟现实(“VR”)显示器。其它HMD能够在真实世界视野上方叠加CGI。这后一种类型的HMD可用作用于实现增强现实(“AR”)的硬件平台。运用AR使观看者的世界图像因覆盖CGI而经增强。用以指代多种类型的HMD的另一术语为抬头显示器(“HUD”)。HUD为允许用户在无需向下看或以其它方式使其眼睛明显离开其抬头正向位置以观看CGI的任何显示器。VRHMD及AR HMD两者均可实施为HUD。
HMD具有许多实际及休闲应用。航空应用允许飞行员在未使其眼睛离开飞行路径的情况下看见重要飞行控制信息。公共安全应用包含战略地图显示及热成像。其它应用领域包含视频游戏、交通运输及电信。随着技术的发展必然存在新发现的实际及休闲应用；然而，归因于成本、大小、重量、视域限制、小眼箱(eyebox)或用以实施现存HMD的常规光学系统的不良效率而使许多这些应用受限。特定来说，常规HMD通常限制用户的外部世界的视野，而使其不便在常规日常活动期间佩戴。
附图说明
参考附图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例，其中，贯穿多种视图，除非另有说明，否则相同参考数字指代相同零件。图式并不一定为按比例绘制，相反重点在说明所描述的原理。
图1说明根据本发明的实施例的用于佩戴的从用户的眼睛偏移的头戴式显示器(“HMD”)。
图2A到2C说明根据本发明的实施例的用于沿倾斜发射路径输出计算机产生图像(“CGI”)光的HMD的目镜的多种侧视图。
图3为说明根据本发明的实施例的沿倾斜发射路径输出CGI光的目镜的操作的过程的流程图。
图4A到4C说明根据本发明的实施例的具有用于反射沿倾斜发射路径从HMD的目镜离开的CGI光的复合折弯角的部分反射表面的多种视图。
图5A与5B说明根据本发明的实施例的沿倾斜发射路径输出CGI光的HMD的目镜的视图。
具体实施方式
本文描述沿倾斜发射路径输出计算机产生图像(“CGI”)光的头戴式显示器(“HMD”)的目镜的操作的设备、系统及方法的实施例。在下文描述中阐述许多具体细节以提供实施例的详尽了解。然而，相关领域的技术人员将认识到本文中所描述的技术可在没有具体细节中的一或多者或使用其它方法、组件、材料等的情况下加以实践。在其它情况中，未展示或详细描述熟知的结构、材料或操作以避免混淆特定方面。
贯穿本说明书，参考“一个实施例”或“一实施例”表示结合实施例描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书，在多处出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”并不一定都是指相同实施例。此外，特定特征、结构或特性可在一个或一个以上实施例中以任何适宜方式进行组合。
图1说明根据本发明的实施例的用于佩戴的从用户的眼睛101偏移的头戴式显示器(“HMD”)100。HMD 100的所说明的实施例包含电子外壳105及通过框架组合件支撑于用户的头上的目镜110。所说明的框架组合件包含右耳臂115、左耳臂(未展示)及鼻梁120。HMD100可作为包含用于显示CGI光125到单眼101(所说明)的单目镜110的单目实施例或作为包含用于显示CGI光到两眼(未说明)的双目镜110的双目实施例加以实施。
电子外壳105及目镜110固定到可在用户的眼睛101的上方(所说明)或下方(未说明)戴在用户的头上的眼镜布置中。左耳臂及右耳臂搁在用户的耳朵之上，而鼻梁120搁在用户的鼻子之上。所述框架组合件经塑形及经定大小以将目镜110定位于所述用户的中心正向视觉上方(或下方)的近眼配置中。当然，可使用具有其它形状的其它框架组合件(例如，具有耳臂及鼻梁支撑的帽舌、单个邻接头戴耳机部件、头带、护目镜型眼镜组件等)。通过将目镜110定位于用户的眼睛上方，HMD 100并未限制用户的正向视觉的侧面视域(“FOV”)。目镜110经设计以沿向下倾斜朝向用户的眼睛101的发射路径发射CGI光125。倾斜发射路径使用具有复合折弯角而容置于目镜110内的部分反射表面而实现。因此，目镜110的外侧表面可维持垂直或接近垂直位置，因此改善HMD 100的工业设计且维持合意的美感。为观看CGI光125，用户仅需使其视线在水平线130上方向上倾斜视角θ(或在目镜110悬吊于眼睛下方的情况下向下倾斜)以与从目镜110发射的CGI光125的向下倾斜角δ对准。在一个实施例中，框架组合件经设计以相对于眼睛101固持目镜110，使得在用户以对应角提升其视角θ时，倾斜角δ＝-7度±3度将使图像中心定位于眼睛101上。换句话说，为观看CGI光125，
HMD 100的所说明的实施例能够以抬头显示器(“HUD”)的形式在不过度阻挡用户的正向视觉的情况下对用户显示CGI。在一个实施例中，目镜110的观看区域呈部分透明，这进一步允许用户即使在他们向上看时仍可通过目镜110看见外部真实世界。当向上看时，CGI光125可被用户看作为重叠于真实世界上方作为增强现实的虚拟图像。在一些实施例中，目镜110可为不透明且阻碍用户的向上外部视觉。电子外壳105可容置用于HMD 100的操作的多种电子组件，例如电力供应器、图形引擎、微处理器、输入/输出电路、无线收发器、存储器等等。
图2A到2C说明根据本发明的实施例的沿倾斜发射路径输出CGI光125的目镜200的多种侧视图。目镜200为图1中所说明的目镜110的一个可行实施方案。目镜200的所说明的实施例包含显示模块205、光中继器区段210、观看区域215、四分之一波片旋转器220及端反射体225。显示模块205的所说明的实施例包含灯源230、向内耦合光束分离器235、显示面板240及光吸收涂层245。光中继器区段210的所说明的实施例包含小区段250、半波片偏光旋转器255、挡光块260及大区段265。观看区域215的所说明的实施例为具有向外耦合光束分离器270的透明区域，所述向外耦合光束分离器270具有部分反射表面275。观看区域215包含用于朝向眼睛101发射CGI光125的眼区侧271及外景侧274，在一些实施例中，环境光276可通过外景侧274。
图3为说明根据本发明的实施例的目镜200的操作过程300的流程图。参考图2A到2C描述过程300。一些或所有过程框在过程300中出现的顺序不应被视为具限制性。而是，受益于本发明的所属领域的一般技术人员将了解一些过程框可以未说明的多种顺序执行或甚至并行执行。
在过程框305中，灯源230产生用以照亮显示面板240的灯光，显示面板240将图像数据模块化到灯光上以产生CGI光125。至少一部分灯光通过向内耦合光束分离器235以照亮显示面板240(过程框310)。在一个实施例中，向内耦合光束分离器235为实质上通过第一偏光的光(例如，P偏光)而实质上反射第二偏光的光(例如，S偏光)的偏光光束分离器(“PBS”)立方体。这两个偏光分量通常为正交线性偏光。发射光可为预偏光(例如，P偏光)或非偏光。在任一情形中，P偏光分量通过向内耦合光束分离器235以照亮显示面板240，而使S偏光的任何剩余部分的大部分反射回到光吸收涂层245(例如，平坦黑色涂料)上。因此，在所说明的实施例中，显示面板240安装于灯源230的相对处，其中向内耦合光束分离器235安置于所述灯源与所述显示面板之间。在其它实施例(未说明)中，显示面板240及光吸收涂层245可交换位置。
显示面板240(例如，硅面板上的液晶、数字微镜显示器等)经由反射式像素阵列(过程框315)的选择性反射将图像数据传递到灯光上。在使用LCOS面板的实施例中，通过显示面板240的反射使入射灯光的偏光旋转90度。在入射灯光的反射之后，CGI光125(其已在偏光上旋转90度而成为(例如)S偏光)通过向内耦合光束分离器235重新导引，且沿正向传播路径朝向观看区域215向下传播到光中继器区段210(过程框320)。在使用数字微镜显示器的实施例中，向内耦合光束分离器235可实施为标准50/50非偏光光束分离器，且CGI光125可为非偏光。
在所说明的实施例中，在无需全内反射(“TIR”)的情况下，CGI光125经导引而沿光中继器区段210内的正向传播路径。换句话说，通过CGI光125形成的光锥的横截面形状及散度经限制，使得光线在无需光中继器区段210的侧边外的TIR的情况下到达端反射体225。
向内耦合光束分离器235、光中继器区段210及向外耦合光束分离器270可由包含玻璃、光学级塑料、石英玻璃、PMMA、Zeonex-E48R的若干种材料制造或以其它方式制造。光中继器区段210的长度可基于一般成人的鬓角眼睛间距而作选择，且使端反射体225的焦平面实质上与显示面板240的一发射孔径重合。为实现焦平面与显示面板240的发射孔径的对准，光中继器区段210的长度与端反射体225的曲率半径两者可彼此结合而选择。
在所说明的实施例中，光中继器区段210包含安置于小区段250与大区段265之间的界面处的半波片偏光旋转器255。半波片偏光旋转器255用以使CGI光125的偏光旋转90度(例如，将S偏光再次转换回到P偏光)。光中继器区段210的所说明的实施例进一步包含安置于延伸超过小区段250的大区段265的边缘上的挡光块260。挡光块260减少外部光泄漏到光中继器区段210中。挡光块260可为不透明涂料、围绕小区段250延伸的不透明轴环或其它。在其它实施例中，光中继器区段210可不包含小区段250，而光中继器区段210的完整长度可具有持续倾斜横截面或恒定大小横截面。
在所说明的实施例中，向外耦合光束分离器270为经配置以通过一线性偏光(例如，P偏光)而反射另一线性偏光(例如，S偏光)的向外耦合PBS立方体。因此，向外耦合PBS使沿正向传播路径传播的CGI光125通过观看区域215到达四分之一波片偏光旋转器220。
在过程框330中，接着，CGI光125沿正向传播路径通过四分之一波片偏光旋转器220。如此一来，CGI光的偏光为圆形偏振的。
在过程框335中，通过端反射体225使CGI光125沿反向传播路径反射回来。在一个实施例中，端反射体225为凹面反射体且具有实质上准直沿反向传播路径反射的CGI光125的形状。准直CGI光具有实际上将CGI图像移位到无穷远处或接近无穷远的作用，借此帮助人眼101将CGI图像带入近眼配置中的焦点中。当然，端反射体225可在未充分准直光的情况下减少散度，借此将虚拟图像移位到小于无穷的位置(例如，1到3米)处。
在过程框340中，沿反向传播路径行进的反射CGI光再次通过四分之一波片偏光旋转器220，引起反向圆形偏光的CGI光以偏光的正交方向线性偏光到正向传播路径。因此，第二次通过偏光旋转器220之后，CGI光125具有实质上通过向外耦合光束分离器270(例如，S偏光)反射的偏光。在过程框345中，CGI光通过向外耦合PBS215反射且重新导引而通过眼区侧271从目镜200离开而朝向眼睛101。
部分反射表面275具有复合折弯角，所述复合折弯角不仅沿实质上垂直于反向传播路径与观看区域215的眼区侧271两者的发射路径重新导引CGI光125，而且以倾斜角δ向下倾斜以到达位于目镜200下方的眼睛101。然而，归因于倾斜角δ，部分反射表面275的复合折弯角导致图像旋转到CGI光125。参考图2B和2C，通过使显示面板240在互补方向上以旋转角旋转而预补偿此图像旋转。归因于CGI光125离开目镜101(参见图2C)时发射路径的折射挠度，的量值小于倾斜角δ的量值。举例来说，为实现7度的倾斜角δ，显示面板240可在互补方向上以4.55度的旋转角进行旋转。
图4A到4C说明根据本发明的实施例的向外耦合光束分离器400的多种视图。向外耦合光束分离器400为向外耦合光束分离器270的一个可行实施方案。向外耦合光束分离器400的所说明的实施例包含具有复合折弯角的部分反射表面405。部分反射表面405可实施为非偏光光束分离器(例如，50/50光束分离器)，例如薄银层或可实施为偏光光束分离器，例如多层薄膜结构。
复合折弯角引起部分反射表面405沿两个独立轴倾斜，其中每一轴具有独立折弯角。第一折弯角φ用于重新导引CGI光125的发射路径成为约垂直于眼区侧271且垂直于反向传播路径。第二折弯角ω用于产生发射路径的向下倾斜。应注意，第二折弯角ω在量值上实质上等于用于使显示面板240旋转的旋转角(参见图2B)，尽管这两者在方向上互补。尽管为实现法向发射路径，折弯角φ通常为45度，然归因于施加到部分反射表面405的复合折弯角，约为44.82度的折弯角φ即实现法向发射路径。类似地，可期望7度的第二折弯角ω以实现7度的倾斜发射路径；然而，归因于复合折弯角及当CGI光125离开目镜200时的折射，约为4.55度的第二折弯角ω实现7度倾斜发射路径(例如，图2C中所说明的倾斜角δ)。
图5A与图5B根据本发明的实施例说明目镜500的视图。目镜500为图1中所说明的目镜110的另一可行实施方案。目镜500类似于目镜200，区别仅在于归因于折弯角ω的针对图像旋转的预补偿是通过使整个显示模块205沿线505或沿线510旋转而非如图2B中所说明通过使显示面板240旋转加以实施除。
本发明的所说明的实施例的如上描述(包含摘要中的描述内容)并非旨在为穷尽性的或限制本发明到所揭示的精确形式。尽管出于阐释性目的本文中描述本发明的特定实施例及实例，然如相关领域的技术人员将认识到，多种修改在本发明的范围内是可行的。
鉴于上述详细描述可对本发明做出这些修改。在所附权利要求书中使用的术语不应被理解为限制本发明到本说明书中所揭示的特定实施例。而是，完全通过所附权利要求书确定本发明的范围，所附权利要求书根据沿用已久的权利要求书解释规则进行理解。

Claims (19)

1.一种用于头戴式显示器的目镜，所述目镜包括：
显示模块，其用于提供沿所述目镜内的正向传播路径行进的显示光；
端反射体，其安置于所述目镜的与所述显示模块相对的端处以沿所述目镜内的反向传播路径往回反射所述显示光；及
观看区域，其与用户的眼睛对准，所述观看区域安置于所述显示模块与所述端反射体之间且包含部分反射表面，所述部分反射表面使沿所述正向传播路径行进的所述显示光通过，且沿发射路径重新导引沿所述反向传播路径行进的所述显示光从所述目镜的眼区侧离开，
其中所述部分反射表面具有复合折弯角，使得从所述目镜发射的所述显示光的所述发射路径相对于所述端反射体与所述部分反射表面之间的所述反向传播路径折弯，其中所述复合折弯角包括用于从平行于所述目镜的所述眼区侧延行的第一轴到垂直于所述眼区侧延行的第二轴重新导引所述显示光的第一折弯角以及用于以斜角将所述显示光重新导引到所述目镜的所述眼区侧的第二折弯角。
2.根据权利要求1所述的目镜，其中使所述显示光在沿所述正向传播路径通过所述部分反射表面之前在互补方向上旋转，以对由所述第二折弯角引入的图像旋转进行预补偿。
3.根据权利要求2所述的目镜，其中所述显示模块包括：
灯源，其产生灯光；
显示面板，其经定位以由所述灯光照亮且选择性地反射所述灯光作为所述显示光；及
向内耦合光束分离器，其安置于所述灯源与所述显示面板之间以沿所述目镜内所述正向传播方向重新导引从所述显示面板反射的所述显示光。
4.根据权利要求3所述的目镜，其中所述显示面板安装到所述目镜的表面，所述显示面板所安装到的所述目镜的表面平行于所述观看区域的所述眼区侧，所述显示光从所述目镜发射出并到达所述观看区域的所述眼区侧，且其中所述显示面板围绕垂直于所述显示面板所安装到的所述目镜的表面的旋转轴旋转。
5.根据权利要求2所述的目镜，其中使所述显示模块在所述互补方向上围绕沿着平行于与所述显示光从所述目镜发射出并到达的所述观看区域的所述眼区侧平行的所述目镜的表面的轴旋转，以对由所述第二折弯角引入的所述图像旋转进行预补偿。
6.根据权利要求1所述的目镜，其中所述第一折弯角为44.82度±3度且所述第二折弯角为4.55度±3度。
7.根据权利要求2所述的目镜，其中所述显示光的所述旋转由显示面板或显示模块的旋转实现，并且所述显示面板或显示模块的旋转在量值上与所述第二折弯角相等，但在方向上与所述第二折弯角互补。
8.根据权利要求1所述的目镜，其进一步包括：
光中继器，其耦合于所述观看区域与所述显示模块之间，而所述正向传播路径延伸通过所述光中继器；
半波片偏光旋转器，其安置于所述显示模块与所述部分反射表面之间的所述正向传播路径内；及
四分之一波片偏光旋转器，其安置于所述正向传播路径及所述反向传播路径内的所述端反射体与所述部分反射表面之间。
9.根据权利要求8所述的目镜，其中所述部分反射表面包括在具有所述复合折弯角的倾斜表面内的偏光光束分离器。
10.一种头戴式显示器HMD的操作方法，所述方法包括：
使沿所述头戴式显示器HMD的目镜内的正向传播路径行进的显示光通过部分反射表面；
使用端反射体，使所述显示光从所述正向传播路径反射到在所述目镜内延伸的反向传播路径；及
使用所述部分反射表面，使从所述目镜沿所述反向传播路径行进的所述显示光反射离开，而沿发射路径进入戴有所述头戴式显示器HMD的用户的眼睛中，其中所述发射路径通过所述目镜的眼区侧离开所述目镜，
其中所述目镜定位于所述眼睛上方，其中所述目镜的所述眼区侧垂直，
其中所述部分反射表面具有复合折弯角，使得从所述目镜发射的所述显示光的所述发射路径垂直于所述反向传播路径和观看区域的眼区侧，且朝向所述眼睛向下倾斜。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述显示光在所述用户向上倾斜其视线7度±3度时，可由用户看见。
12.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：
使沿所述正向传播路径行进的所述显示光在通过所述部分反射表面之前以互补角围绕旋转轴旋转，以对由所述复合折弯角的所述向下倾斜引入的图像旋转进行预补偿。
13.根据权利要求12所述的方法，其中使沿所述正向传播路径行进的所述显示光在通过所述部分反射表面之前围绕所述旋转轴旋转包括：使产生所述显示光的显示面板旋转所述互补角，其中所述旋转轴垂直于所述目镜的所述眼区侧，所述显示光通过所述目镜的所述眼区侧而发射。
14.根据权利要求12所述的方法，其中使沿所述正向传播路径行进的所述显示光在通过所述部分反射表面之前围绕所述旋转轴旋转包括：使用于产生所述显示光的显示模块围绕所述旋转轴旋转，其中所述旋转轴沿从所述显示模块延伸到所述端反射体的所述正向传播路径延行。
15.一种用于将显示光提供到用户的眼睛的头戴式显示器HMD，所述头戴式显示器HMD包括：
目镜，所述目镜包含：
显示模块，其用于提供沿所述目镜内的正向传播路径行进的所述显示光；
端反射体，其安置于所述目镜的与所述显示模块相对的端处，以使所述显示光沿所述目镜内的反向传播路径往回反射；及
观看区域，其与用户的眼睛对准，所述观看区域安置于所述显示模块与所述端反射体之间且包含部分反射表面，所述部分反射表面使沿所述正向传播路径行进的所述显示光通过，且沿发射路径重新导引沿所述反向传播路径行进的所述显示光从所述目镜的眼区侧离开，
其中所述部分反射表面具有复合折弯角，使得从所述目镜发射的所述显示光的所述发射路径相对于所述端反射体与所述部分反射表面之间的所述反向传播路径折弯，其中所述复合折弯角包括用于从平行于所述目镜的所述眼区侧延行的第一轴到垂直于所述眼区侧延行的第二轴重新导引所述显示光的第一折弯角以及用于以斜角将所述显示光重新导引到所述目镜的所述眼区侧的第二折弯角，及
框架组合件，其用以支撑用于戴在所述用户的头上的所述目镜，其中所述观看区域定位于所述用户的所述眼睛的上方。
16.根据权利要求15所述的头戴式显示器HMD，其中所述框架组合件支撑所述目镜使得所述显示光的所述发射路径通过所述观看区域的眼区侧，当戴上所述头戴式显示器HMD时所述观看区域的所述眼区侧呈垂直固持。
17.根据权利要求15所述的头戴式显示器HMD，其中所述部分反射表面的所述第二折弯角导致所述显示光的所述发射路径从水平向下倾斜7度±3度。
18.根据权利要求15所述的头戴式显示器HMD，其中所述显示模块包含显示面板，其安装到所述目镜的表面，所述显示面板安装到的所述目镜的表面平行于所述观看区域的所述眼区侧，所述显示光发射到所述观看区域的所述眼区侧，且其中所述显示面板以互补角围绕垂直于所述显示面板安装到的所述目镜的表面的旋转轴旋转，以对由所述第二折弯角引入的图像旋转进行预补偿。
19.根据权利要求15所述的头戴式显示器HMD，其中所述显示模块围绕沿垂直于与所述显示光从所述目镜发射出并到达的所述观看区域的所述眼区侧平行的所述目镜的表面的旋转轴旋转互补角，以对由所述第二折弯角引入的图像旋转进行预补偿。
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