技术领域
[0001] 本
发明总体上涉及虚拟现实技术，并且具体地涉及向用户提供改进的沉浸效果的头戴式显示器。
背景技术
[0002] 在虚拟现实中，为了获得完全沉浸效果，必须使用提供大
视野和高图像
质量的装置。理想情况下，考虑到眼球旋转的范围，视野应
覆盖整个人的视野，包括双目立体视野和周边视野。
[0003] 然而，存在许多使一些已知或理论解决方案不实用的限制。事实上，头戴式显示器应该为用户提供尽可能大的舒适度，这意味着它不能太笨重、沉重或
不平衡。尽管大型显示器和/或复杂的透镜系统会事先考虑到大视野和高图像质量，但是沉浸效果会受到这种头戴式显示器所产生的不适感的影响。实际上，部件的重量不仅大部分位于头戴式显示器的前部，而且作用在用户眼睛之前的一定距离处，这增加了组件的惯性和不适感。
[0004] 此外，这种配置还会具有经济缺点，因为所需的昂贵部件会使这种头戴式显示器不适合普通消费者市场。
发明内容
[0005] 技术问题
[0006] 因此，本发明的目的是提供一种头戴式显示器，其确实提供非常大的视野和高的图像质量，同时重量相对轻并且佩戴舒适。此外，头戴式显示器应该使用允许经济制造和组装的构件，同时为用户提供良好的视觉沉浸效果。
[0007] 技术方案
[0008] 为了实现该目的，本发明提出了一种用于非常大视野的虚拟现实体验的头戴式显示设备，适于安装在用户的头部上，该头戴式显示设备包括：
[0009] 至少一个图像显示器，优选至少两个并且最优选两个图像显示器，即对于用户的每只眼睛有一个图像显示器，
[0010] 至少两个目镜，其与用户的每只眼睛相关联并且布置在图像显示器和用户眼睛之一的
位置之间，每个目镜包括至少一个光学部件，并且这些光学部件中之一包括至少一个菲涅
耳表面，
[0011] 其中每个目镜的所述至少一个菲涅耳表面是平面的并且相对于轴上场凝视方向以小于70°的
角度布置，优选地以45°和70°之间的角度布置，特别地以50°和67.5°之间的角度布置，所述轴上场凝视方向垂直于或
正交于包括用户的两只眼睛的中心的线，并且[0012] 其中所述至少一个菲涅耳表面的表面光学中心相对于前述轴上场凝视方向偏心。
[0013] 每个目镜的至少一个菲涅耳表面被定向为使得其外侧或颞侧更接近或平分包括用户的两只眼睛的中心的线。单个人眼的近似视野(从注视点，即，一个人的目光所指向的点测量的)在其它器官之上(向上)为60°，鼻部(朝向鼻子)为60°，在其它器官之下(向下)为70-75°且颞部(远离鼻子并朝向太阳穴)为100-110°。对于双眼来说，组合视野竖直为130-
135°，
水平为200°。因此，每个目镜的至少一个菲涅耳表面优选地在颞侧(外侧)和鼻侧(内侧)横向地延伸，以覆盖用户的相应眼睛的视野的至少90％，优选地至少95％。此外，每个目镜的至少一个菲涅耳表面优选地在上侧和下侧竖直地延伸，以覆盖用户的相应眼睛的视野的至少90％，优选地至少95％。每个菲涅耳表面的横向和/或竖直延伸甚至可以优选地代表用户的相应眼睛的视野的100％或更多。
[0014] 每个目镜的至少一个菲涅耳表面通常被布置为将由图像显示器发射的光朝用户的相应眼睛重新定向。单独或与一个或多个另外的菲涅耳表面(也参见下文)组合的至少一个菲涅耳表面可以进一步布置成从图像显示器
像素朝向用户的相应眼睛生成
准直光线。
[0015] 每个目镜中的特定类型的菲涅耳表面取决于所选择的总体配置；优选它们是球面的、非球面的或非
旋转对称的。
[0016] 所述至少一个菲涅耳表面由任何合适的材料制成，优选由玻璃或塑料制成，后者是特别优选的，因为它使得光学组件较轻。所述菲涅耳表面的制造可以通过模制和/或通过机加工来完成，优选通过压缩模制、通过注射模制、通过金刚石
机械加工或通过其组合来完成。压缩模制是特别优选的，因为所得到的菲涅耳表面具有更好的表面质量，从而减少杂散光并提高总体图像质量。
[0017] 因此，本发明的头戴式显示设备包括两个目镜，每个目镜可以由包括一个或两个菲涅耳表面的单个光学部件组成。或者，每个目镜可以包括两个光学部件，所述两个光学部件包括一至四个菲涅耳表面。然而，如果期望或需要，即使使用非菲涅耳表面光学元件的其它布置或组合也是可行的。
[0018] 在本发明的头戴式显示设备中，菲涅耳表面的平面和(对应的)图像显示器的平面可以是平行的。然而，在某些优选
实施例中，目镜和图像平面不平行，而是相对于彼此倾斜一定角度。这种倾斜可以优选用于通过视野来使轴上光学像差和轴外光学像差平均。该角度一般选择在0.1°和15°之间，优选在0.5°和10°之间，更优选在1°和5°之间。
[0019] 与常规的平凸透镜相比，菲涅耳表面使用由(或多或少直立的)脊状部或凹槽彼此限制的各个小平面模拟常规透镜的形状，每个小平面包含透镜的总体构形的一部分。在本发明的上下文中，菲涅耳表面的表达可以是具有一个这样的小平面化表面的透镜。如果对同一个目镜考虑两个这样的菲涅耳表面，它们可能位于单个菲涅耳透镜的两侧，或者位于两个菲涅耳透镜上，在后一种情况下，另一个表面不是小平面化的，并且通常是完全平滑的或者由非菲涅耳光学表面组成。在优选实施例中，菲涅耳表面凹槽平行于从图像显示器到眼睛旋转中心的主视线。此外，在菲涅耳表面的背景下的术语“平面的”当然是指光学元件的整体形状而不是像这样的小平面化表面。在本发明的背景下，术语“平面的”意味着包括菲涅耳表面的透镜是平坦的或接近平坦的(在宏观上)，即，它可以稍微成拱形以更好地适应用户头部的形状，从而允许进一步减小头戴式显示设备的尺寸。
[0020] 光学部件的表面可以是菲涅耳表面、折射表面、衍射表面或混合型折射-衍射表面或它们与至少一个菲涅耳表面的任何组合。
[0021] 光学部件的非菲涅尔光学表面可以是特定的衍射表面，以减少色差。
[0022] 作为结论，由于菲涅耳表面相对于用户的眼睛特定
定位以及光学中心相对于轴上场凝视方向偏心，所以本发明的头戴式显示设备允许180°或更高的大视野，同时维持高水平的图像质量。实际上，现有的头戴式显示器光学系统通常能够使用传统透镜或菲涅耳透镜提供具有良好图像质量的有限视野(即90°至110°)，或者使用传统透镜或菲涅耳透镜提供具有低图像质量的较大视野(高达150°)。
[0023] 图像显示器可以是任何适当的类型，可以是LCD、LED、OLED、AMOLED等。图像显示器优选是平坦的(平面的)，但这不是强制性的。此外，很显然，
分辨率必须足够高才能提供足以进行虚拟现实体验所需的逼真图像。重要的是要注意，图像显示器的尺寸不需要覆盖整个视野(如果每只眼睛都由单独显示器提供图像，则不需要覆盖一只眼睛的整个视野)。实际上，由于至少菲涅耳表面的尺寸被优选地设定为覆盖(几乎整个)视野，所以其小平面适于将光线重定向到用户的眼睛。
[0024] 在本发明之前，不存在提供如此大的视野(高于或等于180°)和高保真度图像质量的基于菲涅耳的光学系统。
[0025] 因此，利用本发明可实现的头戴式显示设备的优点是：高于或等于180°(即210°)的非常宽的视野；更高的图像质量，即更好的
对比度和更少的杂散光；以及作为由于如本文所述的平坦菲涅耳表面透镜而实现的紧凑和轻重量设计。
附图说明
[0026] 现在将参考附图以举例的方式描述本发明的优选实施例，在附图中：
[0027] 图1是已知的
现有技术解决方案的示意图；
[0028] 图2是本发明的一个优选实施例的示意图(仅呈现了左眼和设备的左部，俯视)；
[0029] 图3是贯穿具有不同光学质量的菲涅耳表面的两个横截面的示意图；
[0030] 图4是本发明的另一个优选实施例的示意图(再次仅呈现了左眼和设备的左部，俯视)，更具体地示出了菲涅耳表面的一些小平面和凹槽(不按比例)；
[0031] 图5是本发明的又一个优选实施例的示意图，其中图像显示器和相应的菲涅耳表面相对于彼此不平行；
[0032] 图6是本发明的优选实施例的示意图，示出了光学中心的偏心(仅呈现了右眼和设备的右目镜，俯视)；以及
[0033] 图7是本发明的优选实施例的示意图，示出了包括四个光学表面的两个光学部件(仅呈现了右眼和设备的右目镜，俯视)。
[0034] 参考附图，根据对多个非限制性实施例的以下详细描述，本发明的另外的细节和优点将变得显而易见。
具体实施方式
[0035] 图1展示了用于头戴式显示器的已知解决方案。用户的眼睛101能够围绕其旋转中心102旋转一角度。目镜104包括围绕眼睛弯曲的表面104。轴上场凝视方向103穿过弯曲表面104(目镜107的中心)并且到达显示器108。弯曲表面104能够实现非常大的宽视野。头部105的颞侧的视野大于鼻侧106的视野。
[0036] 图2描述了根据本发明的第一实施例。如上所述，眼睛201可以围绕其旋转中心202转动。目镜207包括平坦或几乎平坦的菲涅耳表面204，该菲涅耳表面204相对于轴上场凝视方向倾斜至多70°的角度209。轴上场凝视方向203穿过平坦表面204。目镜光学中心相对于轴上场凝视方向偏心。凝视方向203偏离210并且到达显示器208。倾斜角度209能够实现非常宽的视野。头部205的颞侧的视野大于鼻侧206的视野。
[0037] 图3展示了通过模制产生的菲涅耳表面的横截面。表面301是通过注射模制产生的表面的横截面。表面302是通过压缩模制产生的横截面。压缩模制的更好的表面质量能够实现更高的图像质量和更少的杂散光。
[0038] 图4展示了本发明的一个配置，其中菲涅耳表面的凹槽的平坦表面410被定向为平行于主视线。图4示出了对应于两个视野角的两条主视线403和409。无论菲涅耳表面位置如何，该规则都可以应用。
[0039] 图5展示了本发明的一个配置，其中目镜505和显示器504的倾角分别为501和502，它们是不同的以适应目镜505的视野
曲率、散光像差和其它光学像差。其结果是改进了视野的鼻部区域内的聚焦，因此实现了更好的整体图像质量。另外，左目镜505和右目镜506的配置允许优于180°的非常宽的视野503。
[0040] 图6展示了本发明的一个配置，其中目镜的光学中心602相对于轴上场凝视方向601偏心。对于现有技术中的其它虚拟现实头戴式耳机，光轴603严格对准于轴上视野凝视方向601，而在我们的配置中，光学中心602朝向外侧偏心，使得眼睛旋转中心604保持在光轴603上，尽管施加了倾斜。该配置对于本发明是特定的并且允许在整个瞳孔旋转范围内的最佳图像质量一致性。任何其它配置都不会达到这种质量水平。
[0041] 图7展示了本发明的一个配置，其中目镜包括位于两个光学元件上的四个光学表面701、702、703和704。这些表面可以是菲涅耳表面、折射表面、衍射表面或混合型折射-衍射表面或它们与至少一个菲涅耳表面的任何组合。
[0042] 附图标记
[0043] 101 眼(左)
[0044] 102 旋转中心
[0045] 103 轴上场凝视方向
[0046] 104 目镜的弯曲表面
[0047] 105 在头部的颞侧的视野
[0048] 106 在头部的鼻侧的视野
[0049] 107 目镜
[0050] 108 图像显示器
[0051] 201 眼(左)
[0052] 202 旋转中心
[0053] 203 轴上场凝视方向
[0054] 204 平面菲涅耳表面
[0055] 205 在头部的颞侧的视野
[0056] 206 在头部的鼻侧的视野
[0057] 207 目镜
[0058] 208 图像显示器
[0059] 209 倾斜角度
[0060] 210 偏离的轴上场凝视方向
[0061] 301 通过注射模制产生的横截面
[0062] 302 通过压缩模制产生的横截面
[0063] 401 眼(左)
[0064] 402 旋转中心
[0065] 403 主视线1
[0066] 404 目镜
[0067] 405 在头部的颞侧的视野
[0068] 406 在头部的鼻侧的视野
[0069] 407 菲涅耳光学表面
[0070] 408 图像显示器
[0071] 409 主视线2
[0072] 410 凹槽的平坦表面
[0073] 501 目镜倾斜角度
[0074] 502 图像显示器倾斜角度
[0075] 503 水平视野角度
[0076] 504 左图像显示器
[0077] 505 左目镜
[0078] 506 右目镜
[0079] 601 轴上场凝视方向
[0080] 602 目镜的光学中心
[0081] 603 目镜的光轴
[0082] 604 旋转中心
[0083] 701 光学部件1的第一光学表面
[0084] 702 光学部件1的第二光学表面
[0085] 703 光学部件2的第一光学表面
[0086] 704 光学部件2的第二光学表面。
