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CN113853546B - 具有能调节瞳距的机构的双目型头戴式显示系统 - Google Patents

具有能调节瞳距的机构的双目型头戴式显示系统 Download PDF

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Abstract

被配置成由观看者佩戴的头戴式显示装置。该装置包括可移动地耦接至弯曲导轨的成对的显示模块，显示模块被配置成朝向观看者投射立体图像，其中，显示模块中的第一显示模块投射第一立体图像，并且显示模块中的第二显示模块投射第二立体图像，第一立体图形和第二立体图像创建在观看者前方的预定会聚距离处会聚的单个统一的虚拟立体图像。该装置还包括调节机构，该调节机构被配置成沿导轨关于弯曲导轨的中点对称地移动显示模块中的每一个，从而在保持预定会聚距离的同时改变显示模块之间的距离。

Description

具有能调节瞳距的机构的双目型头戴式显示系统
技术领域
当前公开的主题涉及头戴式显示器，并且更特别地涉及双目型头戴式显示器。
背景技术
用于增强现实(AR)应用的双目型头戴式显示器(HMD)显示虚拟图像，这些虚拟图像被呈现在用户的现实环境之上。使用安装在双目镜中的两个显示模块立体地显示虚拟图像，每个显示模块独立地向瞳孔显示立体图像，使得HMD的佩戴者看到具有感知深度的单个统一的虚拟图像。为了正确地模拟人类对现实世界的立体视觉，两个立体图像(并且因此也即显示模块)必须被正确地对准以实现期望的图像。因此，为了实现适当的深度感知，应当对显示模块和/或从其出射的图像进行定向，使得每个图像以精确的角度达到相应瞳孔以使得观看者看到在空间中位于佩戴者前方预定距离处的统一的虚拟立体图像。
通常，极小的HMD系统包括适合大多数佩戴者和大多数应用的工厂级初始校准。另外，一些鲁棒的HMD系统包括一系列传感器(例如，摄像装置、惯性测量单元(IMU)、眼追踪传感器等)和计算单元，该计算单元被配置成在用户参与的情况下或无需用户参与地根据需要自动校准显示模块。在该语境下，“校准”指设置立体图像之间的角度以实现针对特定应用的最佳会聚距离，如上所述。
除了校准之外，适当的HMD设计还必须考虑用户之间的瞳距(IPD)差异，通常成人的IPD在55mm至74mm之间变化，而儿童的IPD可以小到40mm。IPD差异通常使用两种方法之一来解决。第一方法涉及设计跨越宽的水平眼动箱传送图像的显示模块。然而，该方法增加了光学模块的复杂度以及光学模块的尺寸，并且降低了光效率和亮度。
实现与各种IPD的兼容性的另一选择是提供用于手动或自动地(例如，使用一个或更多个传感器和计算单元)调节显示模块之间的距离的机械机构。根据该后一方法，可以简化光学模块的设计要求，提高光效率并且减小模块尺寸。
上述机械机构必须能够与由特定HMD使用的校准系统互操作，这是指改变显示模块之间的距离将不会对图像的会聚距离产生不利影响。鉴于先前描述的两种类型的HMD系统，鲁棒的HMD可以在调节显示器之间的距离以适应用户的IPD之后简单地对自身重新校准。然而，在极小的HMD系统中，移动机构必须保持包括会聚距离的工厂校准条件。因此，为了保持会聚距离，一旦针对IPD调节了模块之间的距离，就也需要调节立体图像之间的相对角度。
发明内容
本发明提供了用于随着显示模块之间的距离的改变而自动调节立体图像会聚角度的系统和方法。该角度调节通过使用使显示模块在其上移动的弯曲导轨来实现。导轨的曲率应当根据针对系统限定、并且将在系统的工厂校准期间使用的所需的会聚距离来设计。
因此，根据当前公开的主题的一方面，提供了一种被配置成由观看者佩戴的头戴式显示装置，包括：可移动地耦接至弯曲导轨的成对的显示模块，显示模块被配置成朝向观看者投射立体图像，其中，显示模块中的第一显示模块投射第一立体图像，并且显示模块中的第二显示模块投射第二立体图像，第一立体图像和第二立体图像创建在观看者前方的预定会聚距离处会聚的单个统一的虚拟立体图像；以及调节机构，其被配置成使显示模块中的每一个关于弯曲导轨的中点对称地沿导轨移动，从而在保持预定会聚距离的同时改变显示模块之间的距离。
在一些实施方式中，装置还包括支承弯曲导轨和调节机构的框架。
在一些实施方式中，调节机构被构造成使显示模块之间的距离在40mm至80mm之间变化。
在一些实施方式中，预定会聚距离在0.2米至无穷大的范围内。
在一些实施方式中，显示模块以提供在预定会聚距离处会聚的虚拟立体图像的角度取向耦接至弯曲导轨。
在一些实施方式中，弯曲导轨具有有助于成对的显示模块提供在预定会聚距离处会聚的虚拟立体图像的曲率。
在一些实施方式中，会聚距离约等于由弯曲导轨的弧限定的圆的半径。
在一些实施方式中，显示模块中的每一个包括耦接至组合器模块的紧凑型投射器模块。
在一些实施方式中，组合器模块包括光导光学元件，光导光学元件由具有一对平行外表面的透明基板以及相对于该对平行外表面成斜角的多个相互平行的部分反射内表面构成。
在一些实施方式中，该装置还包括头部安装构件。
附图说明
为了理解本发明并且了解如何在实践中实现本发明，将参照附图通过非限制性示例来描述实施方式，在附图中：
图1A至图1B示意性地示出了根据当前公开的主题的实施方式的HMD的俯视图；
图2示意性地示出了根据当前公开的主题的实施方式的HMD的内部立体图；
图3A示意性地示出了根据当前公开的主题的实施方式的示例性显示模块的正面立体图；以及
图3B示意性地示出了根据当前公开的主题的实施方式的示例性显示模块的侧视图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，为了提供对本发明的透彻理解而阐述了许多具体细节。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践当前公开的主题。在其他情况下，未详细描述公知的方法、过程和部件，以免使当前公开的主题不清楚。在整个说明书中，术语“头戴式显示器”和“HMD”应当被理解为是指双目型HMD，并且术语“用户”、“佩戴者”和“观看者”均是指观看由HMD投射的图像的人。
图1A至图1B示意性地示出了根据所公开的主题的实施方式的双目型HMD的俯视图。HMD包括成对的显示模块10，这对显示模块可移动地耦接至向外(相对于HMD佩戴者)成弧线的弯曲导轨12，使得每个显示模块距导轨的中点11的距离近似相等。显示模块中的第一显示模块朝向HMD佩戴者的第一眼球投射第一立体图像，并且显示模块中的第二显示模块朝向HMD佩戴者的另一眼球投射第二立体图像。例如，弯曲导轨上左侧的显示模块向佩戴者的左眼投射图像，而右侧的显示模块向佩戴者的右眼投射图像。
在系统装配期间，对HMD进行校准以使得以将投射的立体图像组合为预定会聚距离处的单个统一的虚拟图像的角度将显示模块安装在导轨上。显示模块相对于弯曲导轨的确切安装角度取决于所使用的显示模块的具体光学设计参数(例如，视线)。一旦针对一个IPD验证了装配，则针对任何其他IPD对显示模块的调节将保持会聚距离恒定。
图1A至图1B中的角度24在本文中被称为实现期望的会聚距离所需的“会聚角度”。如上所述，会聚角度24通常在校准期间(即，在首次使用之前并且通常在到达消费者之前)被设置，并且可以通过使图像投射轴相对于瞳孔旋转来操纵该会聚角度。在设置会聚角度之后，当用户观看时，两个立体图像组合以创建单个统一的虚拟立体图像，该虚拟立体图像看起来在空间中位于观看者前方的会聚距离22处。在一些实施方式中，例如在AR应用中，显示模块还可以有助于直接观看在观看者前方的外部世界，使得具有感知深度的所投射的虚拟图像与现实“图像”组合以创建AR效果。在其他实例中，为了创建更大程度上的虚拟现实效果可能会遮挡外部世界的景象，这种情况下虚拟立体图像是观看者看到的唯一图像。
为了改变显示模块之间的距离20以适应观看者IPD的可变性，HMD还包括调节机构14，该调节机构14被配置成沿弯曲导轨以相反方向并且关于导轨中点对称地同时移动两个显示模块，从而增大或减小显示模块之间的距离20。由于导轨的曲率，显示模块之间距离的增加(即，从20到20')导致会聚角度相应增加(即，24到24')，从而保持预定的会聚距离22。同样，减小显示模块之间的距离导致会聚角度24相应减小，再次大致保持预定的会聚距离22。用于沿导轨或轨道在相反方向上对称地移动对象的调节机构是本领域技术人员已知的，因而在本文中不需详述。
作为非限制性示例，图1A示出了HMD的示意图，其中显示模块10分开55mm的距离20，该距离与IPD范围的低端对应。在该情况下，由于弯曲导轨12的预配置的曲率，当距离20为55mm时，会聚角度24约为0.79度，这恰好是提供2m的会聚距离22所需的会聚角度。
图1B示出了现在针对74mm的IPD调节的同一HMD。在该情况下，当距离20'为74mm时，会聚角度24'约为1.06度，这同样是提供2m的会聚距离22所需的精确角度。
应当理解，上述示例是非限制性的，并且实际上通过确定提供遍及IPD范围的所需的会聚角度的精确曲率来将HMD设计成支持0.2m至无穷大的范围内的任何所需的会聚距离。可以通过将弯曲导轨视为圆弧来针对任何会聚距离设置期望的曲率，其中圆的半径由会聚距离22限定。
另外，尽管以上示例是针对54mm至79mm的范围内的IPD提供的，但是应当理解，可以应用相同的原理来支持更大的IPD范围，包括但不限于40mm至80mm。
图2示意性地示出了根据本文中公开的实施方式的HMD的内部立体图，包括用于支承和/或容纳弯曲导轨12和调节机构14的可选框架26。在一些实施方式(未示出)中，HMD还可以包括用于将HMD固定在佩戴者的头部适当位置的头部安装构件。头部安装构件可以包括但不限于带、眼镜和/或头盔。
图3A至图3B分别示出了根据一些实施方式的示例性显示模块10的立体图和侧视图。显示模块10可以包括例如紧凑型图像投射器模块30和组合器模块32。投射器模块30被配置成将立体图像注入到组合器模块32中。组合器模块32被配置成接收注入的图像，将投射图像与现实图像组合，并且将组合图像耦出至观看者。在一些示例中，组合器32可以使用光导光学元件(或“波导”)来实现，该光导光学元件由具有一对平行外表面的透明基板以及相对于这对外表面成斜角的多个相互平行的部分反射内表面(“小平面”)34构成并且被配置成将组合的图像耦出至观看者。注入到波导中的立体图像经由全内反射传播穿过波导，并且经由小平面耦出至观看者。现实图像凭借组合器基板的透明度被直接传送至观看者。诸如以上提供的显示模块是本领域技术人员已知的，因而在本文中不需详述。
应当认识到，为了描述的清楚，附图中示出的弯曲导轨被示为具有夸大的曲率，而在实践中弯曲导轨将具有平缓得多的曲线。还应当认识到，弯曲导轨不需要沿其整个长度呈弧形，而仅需要沿显示模块被配置成沿其移动的部分呈弧形，但这通常不一定与所设计的HMD所要容纳的最大IPD对应。

Claims (8)

1.一种被配置成由观看者佩戴的头戴式显示装置，包括：
可移动地耦接至弯曲导轨的成对的显示模块，所述显示模块被配置成朝向所述观看者投射立体图像，其中，所述显示模块中的第一显示模块投射第一立体图像，并且所述显示模块中的第二显示模块投射第二立体图像，所述第一立体图像和所述第二立体图像创建在所述观看者前方的预定会聚距离处会聚的单个统一的虚拟立体图像；以及
调节机构，其被配置成沿所述导轨关于所述弯曲导轨的中点对称地移动所述显示模块中的每一个，从而在保持所述预定会聚距离的同时改变所述显示模块之间的距离，
其中，所述预定会聚距离等于由所述弯曲导轨的弧限定的圆的半径。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括支承所述弯曲导轨和所述调节机构的框架。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述调节机构被构造成使所述显示模块之间的距离在40mm至80mm之间变化。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述预定会聚距离在0.2米至无穷大的范围内。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述显示模块以提供在所述预定会聚距离处会聚的虚拟立体图像的角度取向耦接至所述弯曲导轨。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述显示模块中的每一个显示模块包括耦接至组合器模块的紧凑型投射器模块。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述组合器模块包括光导光学元件，所述光导光学元件由具有一对平行外表面的透明基板以及相对于这一对平行外表面成斜角的多个相互平行的部分反射内表面构成。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括头部安装构件。
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