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TWI870411B - 具有能調節瞳距的機構的雙目型頭戴式顯示系統 - Google Patents

具有能調節瞳距的機構的雙目型頭戴式顯示系統 Download PDF

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Abstract

被配置成由觀看者佩戴的頭戴式顯示裝置。該裝置包括可移動地耦接至彎曲導軌的成對的顯示模組，顯示模組被配置成朝向觀看者投射立體圖像，其中，顯示模組中的第一顯示模組投射第一立體圖像，並且顯示模組中的第二顯示模組投射第二立體圖像，第一立體圖形和第二立體圖像創建在觀看者前方的預定會聚距離處會聚的單個統一的虛擬立體圖像。該裝置還包括調節機構，該調節機構被配置成沿導軌關於彎曲導軌的中點對稱地移動顯示模組中的每一個，從而在保持預定會聚距離的同時改變顯示模組之間的距離。

Description

具有能調節瞳距的機構的雙目型頭戴式顯示系統
當前公開的主題涉及頭戴式顯示器，並且更特別地涉及雙目型頭戴式顯示器。
用於增強現實(AR，Augmented Reality)應用的雙目型頭戴式顯示器(HMD，Head-mounted display)顯示虛擬影像，這些虛擬影像被呈現在用戶的現實環境之上。使用安裝在雙目鏡中的兩個顯示模組立體地顯示虛擬影像，每個顯示模組獨立地向瞳孔顯示立體圖像，使得HMD的佩戴者看到具有感知深度的單個統一的虛擬影像。為了正確地模擬人類對現實世界的立體視覺，兩個立體圖像(並且因此也即顯示模組)必須被正確地對準以實現期望的圖像。因此，為了實現適當的深度感知，應當對顯示模組和/或從其出射的圖像進行定向，使得每個圖像以精確的角度達到相應瞳孔以使得觀看者看到在空間中位於佩戴者前方預定距離處的統一的虛擬立體圖像。
通常，極小的HMD系統包括適合大多數佩戴者和大多數應用的工廠級初始校準。另外，一些魯棒的HMD系統包括一系列感測器(例如，攝像裝置、慣性測量單元(IMU，inertial measurement unit)、眼追蹤感測器等)和計算單元，該計算單元被配置成在使用者參與的情況下或無需使用者參與地根據需要自動校準顯示模組。在該語境下，“校準”指設置立體圖像之間的角度以實現針對特定應用的最佳會聚距離，如上所述。
除了校準之外，適當的HMD設計還必須考慮用戶之間的瞳距(IPD，interpupillary distance)差異，通常成人的IPD在55mm至74mm之間變化，而兒童的IPD可以小到40mm。IPD差異通常使用兩種方法之一來解決。 第一方法涉及設計跨越寬的水平眼動箱傳送圖像的顯示模組。然而，該方法增加了光學模組的複雜度以及光學模組的尺寸，並且降低了光效率和亮度。
實現與各種IPD的相容性的另一選擇是提供用於手動或自動地(例如，使用一個或更多個感測器和計算單元)調節顯示模組之間的距離的機械機構。根據該後一方法，可以簡化光學模組的設計要求，提高光效率並且減小模組尺寸。
上述機械機構必須能夠與由特定HMD使用的校準系統交互操作，這是指改變顯示模組之間的距離將不會對圖像的會聚距離產生不利影響。鑒於先前描述的兩種類型的HMD系統，魯棒的HMD可以在調節顯示器之間的距離以適應用戶的IPD之後簡單地對自身重新校準。然而，在極小的HMD系統中，移動機構必須保持包括會聚距離的工廠校準條件。因此，為了保持會聚距離，一旦針對IPD調節了模組之間的距離，就也需要調節立體圖像之間的相對角度。
本發明提供了用於隨著顯示模組之間的距離的改變而自動調節立體圖像會聚角度的系統和方法。該角度調節通過使用使顯示模組在其上移動的彎曲導軌來實現。導軌的曲率應當根據針對系統限定、並且將在系統的工廠校準期間使用的所需的會聚距離來設計。
因此，根據當前公開的主題的一方面，提供了一種被配置成由觀看者佩戴的頭戴式顯示裝置，包括：可移動地耦接至彎曲導軌的成對的顯示模組，顯示模組被配置成朝向觀看者投射立體圖像，其中，顯示模組中的第一顯示模組投射第一立體圖像，並且顯示模組中的第二顯示模組投射第二立體圖像，第一立體圖像和第二立體圖像創建在觀看者前方的預定會聚距離處會聚的單個統一的虛擬立體圖像；以及調節機構，其被配置成使顯示模組中的每一個關於彎曲導軌的中點對稱地沿導軌移動，從而在保持預定會聚距離的同時改變顯示模組之間的距離。
在一些實施方式中，裝置還包括支承彎曲導軌和調節機構的框架。
在一些實施方式中，調節機構被構造成使顯示模組之間的距離在40mm至80mm之間變化。
在一些實施方式中，預定會聚距離在0.2米至無窮大的範圍內。
在一些實施方式中，顯示模組以提供在預定會聚距離處會聚的虛擬立體圖像的角度取向耦接至彎曲導軌。
在一些實施方式中，彎曲導軌具有有助於成對的顯示模組提供在預定會聚距離處會聚的虛擬立體圖像的曲率。
在一些實施方式中，會聚距離約等於由彎曲導軌的弧限定的圓的半徑。
在一些實施方式中，顯示模組中的每一個包括耦接至組合器模組的緊湊型投射器模組。
在一些實施方式中，組合器模組包括光導光學元件，光導光學元件由具有一對平行外表面的透明基板以及相對於該對平行外表面成斜角的多個相互平行的部分反射內表面構成。
在一些實施方式中，該裝置還包括頭部安裝構件。
10:顯示模組
11:中點
12:彎曲導軌
14:調節機構
20,20',22:距離
24,24':角度
26:可選框架
30:投射器模組
32:組合器模組
34:部分反射內表面(小平面)
為了理解本發明並且瞭解如何在實踐中實現本發明，將參照圖式通過非限制性示例來描述實施方式，在圖式中：
圖1A至圖1B示意性地示出了根據當前公開的主題的實施方式的HMD的俯視圖；
圖2示意性地示出了根據當前公開的主題的實施方式的HMD的內部立體圖；
圖3A示意性地示出了根據當前公開的主題的實施方式的示例性顯示模組的正面立體圖；以及
圖3B示意性地示出了根據當前公開的主題的實施方式的示例性顯示模組 的側視圖。
在下面的詳細描述中，為了提供對本發明的透徹理解而闡述了許多具體細節。然而，本領域技術人員將理解，可以在沒有這些具體細節的情況下實踐當前公開的主題。在其他情況下，未詳細描述公知的方法、過程和部件，以免使當前公開的主題不清楚。在整個說明書中，術語“頭戴式顯示器”和“HMD”應當被理解為是指雙目型HMD，並且術語“用戶”、“佩戴者”和“觀看者”均是指觀看由HMD投射的圖像的人。
圖1A至圖1B示意性地示出了根據所公開的主題的實施方式的雙目型HMD的俯視圖。HMD包括成對的顯示模組10，這對顯示模組可移動地耦接至向外(相對於HMD佩戴者)成弧線的彎曲導軌12，使得每個顯示模組距導軌的中點11的距離近似相等。顯示模組中的第一顯示模組朝向HMD佩戴者的第一眼球投射第一立體圖像，並且顯示模組中的第二顯示模組朝向HMD佩戴者的另一眼球投射第二立體圖像。例如，彎曲導軌上左側的顯示模組向佩戴者的左眼投射圖像，而右側的顯示模組向佩戴者的右眼投射圖像。
在系統裝配期間，對HMD進行校準以使得以將投射的立體圖像組合為預定會聚距離處的單個統一的虛擬影像的角度將顯示模組安裝在導軌上。顯示模組相對於彎曲導軌的確切安裝角度取決於所使用的顯示模組的具體光學設計參數(例如，視線)。一旦針對一個IPD驗證了裝配，則針對任何其他IPD對顯示模組的調節將保持會聚距離恒定。
圖1A至圖1B中的角度24在本文中被稱為實現期望的會聚距離所需的“會聚角度”。如上所述，會聚角度24通常在校準期間(即，在首次使用之前並且通常在到達消費者之前)被設置，並且可以通過使圖像投射軸相對於瞳孔旋轉來操縱該會聚角度。在設置會聚角度之後，當用戶觀看時，兩個立體圖像組合以創建單個統一的虛擬立體圖像，該虛擬立體圖像看起來在空間中位於觀看者前方的會聚距離22處。在一些實施方式中，例如在AR應用中，顯示模組還可以有助於直接觀看在觀看者前方的外部世界，使得具有感知深度的所投射的虛擬影像與現實“圖像”組合以創建AR效果。在其他實例中，為 了創建更大程度上的虛擬實境效果可能會遮擋外部世界的景象，這種情況下虛擬立體圖像是觀看者看到的唯一圖像。
為了改變顯示模組之間的距離20以適應觀看者IPD的可變性，HMD還包括調節機構14，該調節機構14被配置成沿彎曲導軌以相反方向並且關於導軌中點對稱地同時移動兩個顯示模組，從而增大或減小顯示模組之間的距離20。由於導軌的曲率，顯示模組之間距離的增加(即，從20到20')導致會聚角度相應增加(即，24到24')，從而保持預定的會聚距離22。同樣，減小顯示模組之間的距離導致會聚角度24相應減小，再次大致保持預定的會聚距離22。用於沿導軌或軌道在相反方向上對稱地移動對象的調節機構是本領域技術人員已知的，因而在本文中不需詳述。
作為非限制性示例，圖1A示出了HMD的示意圖，其中顯示模組10分開55mm的距離20，該距離與IPD範圍的低端對應。在該情況下，由於彎曲導軌12的預配置的曲率，當距離20為55mm時，會聚角度24約為0.79度，這恰好是提供2m的會聚距離22所需的會聚角度。
圖1B示出了現在針對74mm的IPD調節的同一HMD。在該情況下，當距離20'為74mm時，會聚角度24'約為1.06度，這同樣是提供2m的會聚距離22所需的精確角度。
應當理解，上述示例是非限制性的，並且實際上通過確定提供遍及IPD範圍的所需的會聚角度的精確曲率來將HMD設計成支持0.2m至無窮大的範圍內的任何所需的會聚距離。可以通過將彎曲導軌視為圓弧來針對任何會聚距離設置期望的曲率，其中圓的半徑由會聚距離22限定。
另外，儘管以上示例是針對54mm至79mm的範圍內的IPD提供的，但是應當理解，可以應用相同的原理來支持更大的IPD範圍，包括但不限於40mm至80mm。
圖2示意性地示出了根據本文中公開的實施方式的HMD的內部立體圖，包括用於支承和/或容納彎曲導軌12和調節機構14的可選框架26。在一些實施方式(未示出)中，HMD還可以包括用於將HMD固定在佩戴者的頭部適當位置的頭部安裝構件。頭部安裝構件可以包括但不限於帶、眼鏡和/ 或頭盔。
圖3A至圖3B分別示出了根據一些實施方式的示例性顯示模組10的立體圖和側視圖。顯示模組10可以包括例如緊湊型圖像投射器模組30和組合器模組32。投射器模組30被配置成將立體圖像注入到組合器模組32中。組合器模組32被配置成接收注入的圖像，將投射圖像與現實圖像組合，並且將組合圖像耦出至觀看者。在一些示例中，組合器模組32可以使用光導光學元件(或“波導”)來實現，該光導光學元件由具有一對平行外表面的透明基板以及相對於這對外表面成斜角的多個相互平行的部分反射內表面(“小平面”)34構成並且被配置成將組合的圖像耦出至觀看者。注入到波導中的立體圖像經由全內反射傳播穿過波導，並且經由小平面耦出至觀看者。現實圖像憑藉組合器基板的透明度被直接傳送至觀看者。諸如以上提供的顯示模組是本領域技術人員已知的，因而在本文中不需詳述。
應當認識到，為了描述的清楚，圖式中示出的彎曲導軌被示為具有誇大的曲率，而在實踐中彎曲導軌將具有平緩得多的曲線。還應當認識到，彎曲導軌不需要沿其整個長度呈弧形，而僅需要沿顯示模組被配置成沿其移動的部分呈弧形，但這通常不一定與所設計的HMD所要容納的最大IPD對應。
10:顯示模組
12:彎曲導軌
14:調節機構
26:可選框架

Claims (8)

  1. 一種被配置成由觀看者佩戴的頭戴式顯示裝置，包括：可移動地耦接至彎曲導軌的成對的顯示模組，所述顯示模組被配置成朝向所述觀看者投射立體圖像，其中，所述顯示模組中的第一顯示模組投射第一立體圖像，並且所述顯示模組中的第二顯示模組投射第二立體圖像，所述第一立體圖像和所述第二立體圖像創建在所述觀看者前方的預定會聚距離處會聚的單個統一的虛擬立體圖像；以及調節機構，其被配置成沿所述導軌關於所述彎曲導軌的中點對稱地移動所述顯示模組中的每一個，從而在保持所述預定會聚距離的同時改變所述顯示模組之間的距離，其中，所述會聚距離等於由所述彎曲導軌的弧限定的圓的半徑。
  2. 如請求項1所述的裝置，還包括支承所述彎曲導軌和所述調節機構的框架。
  3. 如請求項1所述的裝置，其中，所述調節機構被構造成使所述顯示模組之間的距離在40mm至80mm之間變化。
  4. 如請求項1所述的裝置，其中，所述預定會聚距離在0.2米至無窮大的範圍內。
  5. 如請求項1所述的裝置，其中，所述顯示模組以提供在所述預定會聚距離處會聚的虛擬立體圖像的角度取向耦接至所述彎曲導軌。
  6. 如請求項1所述的裝置，其中，所述顯示模組中的每一個顯示模組包括耦接至組合器模組的緊湊型投射器模組。
  7. 如請求項6所述的裝置，其中，所述組合器模組包括光導光學元件，所述光導光學元件由具有一對平行外表面的透明基板以及相對於這一對平行外表面成斜角的多個相互平行的部分反射內表面構成。
  8. 如請求項1所述的裝置，還包括頭部安裝構件。
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