头戴式显示器的制作方法

头戴式显示器(HMD)装置是佩戴在用户头上的显示系统，其包括电子显示器和光学器件，以使用户能够体验正在流式传输或以其他方式传输到显示器的视频和其他多媒体数据。HMD装置允许用户将自己沉浸在各种各样的扩展现实(XR)环境中，扩展现实(XR)环境可以包括例如从娱乐到现实世界应用范围内的虚拟和增强现实(VR，AR)体验。随着HMD装置的不同应用和使用场景的数量不断增加，HMD技术也在不断发展。

附图说明

现在将参照附图描述示例，在附图中：

图1A示出了示例头戴式显示器(HMD)装置的透视图和框图，HMD装置适用于实现自识别的、可更换的镜头和显示器，以实现动态眼罩调整和装置校准；

图1B示出了不同配置的示例HMD装置，在该配置中图像处理可以发生在远程装置上；

图2示出了集成到镜头模块中的可更换的镜头的示例；

图3示出了集成到显示器模块中的电子显示器的示例；

图4A示出了镜头接收部的示例，其具有插入到接收部中的镜头和镜头模块；

图4B示出了显示器接收部的示例，其具有插入到接收部中的显示器和显示器模块；

图5示出了由柔性材料形成的示例眼罩，以适应可以扩展和收缩眼罩尺寸的机械调整；

图6示出了容纳两个镜头和两个显示面板的双镜头和显示器模块的示例；以及

图7、图8A和图8B是示出了操作头戴式显示器(HMD)装置的示例方法的流程图。

在所有附图中，相同的附图标记表示相似但不一定相同的元件。

具体实施方式

随着头戴式显示器(HMD)装置(也称为“头戴式视图器”)的不同应用和使用场景的数量的不断增加，头戴式显示器(HMD)技术也在不断发展。当正在被使用的HMD装置具有了更适合于给定的应用或场景的特定特性时，可以针对该给定的HMD应用或使用场景来优化用户体验。然而，生产具有适合于特定应用的不同特性的多种HMD装置为厂商带来了降低成本和使HMD装置商品化的持续挑战。

大多数头戴式显示器(HMD)装置都是采用固定眼罩设计来制造的，该固定眼罩设计可以容纳特定类型的镜头和显示器。虽然不同的HMD装置厂商的镜头类型可能有所不同，但在HMD装置设计中经常使用的镜头类型是那些具有能够在一系列应用中提供良好性能和优质用户体验的焦距的镜头。HMD装置的眼罩几何形状(例如，眼罩开口的尺寸，和/或在镜头、显示器和用户眼睛之间的距离)可以基于被选择使用在装置中的镜头的类型(即焦距)来确定和构造。因此，大多数HMD装置都以“一刀切”的方式装配了固定镜头和显示器。

此外，每个镜头，无论其类型(即焦距)如何，都包括其自身的“镜头简档”，该镜头简档定义了诸如色差和镜头失真(例如枕形失真)的光学特性。光学特性可以与不同的厂商、品牌、型号、材料等相关联，并且可以在不同的厂商、品牌、型号、材料等之间变化。相应地，对于如上所述的装配有固定镜头的大多数HMD装置，成像系统将固定镜头的镜头简档并入到图像校准过程中，该图像校准过程在将图像渲染到HMD显示器之前对图像应用预失真。然后，在图像通过固定镜头时，所应用的图像预失真被中和，因此在用户眼睛中图像是正确的。

在一些HMD装置中，镜头可以替换成针对戴眼镜的用户而设计的矫正镜头。矫正镜头的替换会产生诸如上文提到的色差和失真等的图像伪像，这可以通过适当的重新校准来矫正。但是，在这样的HMD装置中，成像系统不会感知到镜头已经被替换，并且它不能应用与替换的矫正镜头相关联的实际的镜头简档。因此，矫正这些图像伪像的重新校准涉及使用与矫正镜头相关联的镜头简档的繁琐的手动重新校准。由于针对用户的眼睛中的每一个都具有不同的矫正镜头，因此手动重新校准通常更加复杂。因此，减轻伪像涉及针对每个镜头的不同的手动校准。

一般来说，随着HMD装置的应用和用例数量的持续增长，越来越期望能够优化HMD镜头和显示器的光学特性，以更好地适应多种应用和用例。例如，寻求参与完全沉浸式VR模拟的用户可能希望将由镜头所提供的视场最大化，并且接受图像的低细节和清晰度。相反，希望处理文本或对小型物体进行产品设计评估的人可能希望优化镜头，以提高图像的清晰度和细节，同时牺牲一些周边视场。在这些不同的用例中进行优化体验可能需要使用不同的镜头类型(例如，不同焦距的镜头)和调整眼罩几何形状，以及根据特定的镜头简档重新校准HMD装置，以便在显示器上提供具有合适的矫正的预失真的图像。

除了优化镜头性能之外，用户可能还希望优化特定显示屏特性，以增强他们对给定HMD应用程序或用例的体验。例如，在特定应用中，用户可能希望显示屏提供更亮的图像，而在另一应用中，用户可能希望显示器具有更高的对比度。在第一种情况下，以更亮的图像来优化用户体验可能涉及使用装配有LCD显示器的HMD装置。在第二种情况下，以更高的对比度来优化用户体验可能涉及使用装配有OLED显示器的HMD装置。

但是，如上所述，大多数头戴式视图器或HMD装置目前装配有固定的显示面板和一对固定的镜头。目前，第一和第三方制造厂商向HMD装置消费者提供定制镜头和显示器解决方案的能力有限。消费者通常面临有限的选择，这主要包括频繁地利用包括升级的镜头和显示器的新一代装置来更新他们的HMD装置。这一过程的一个不幸后果是，在获取了下一代HMD装置时，上一代HMD装置通常被完全丢弃。

相应地，本文描述的示例头戴式显示器(HMD)装置和方法实现了自识别的、可更换的镜头和显示器，以实现动态眼罩调整和装置校准。在一些示例中，可更换的镜头和/或显示器可以通过HMD装置提供自我识别，以使该装置的成像系统能够对镜头和/或显示器应用正确的校准。在一些示例中，可更换的镜头和显示器可以被配置为可更换的“模块”，其中这些模块可以存储和提供镜头和显示器的自识别信息。模块可以包括诸如其中容纳或集成镜头和/或显示器的框架的结构。模块可以包括与HMD装置的模块接收器或接收部的形状因子相对应的特定形状因子。存储在模块上的识别信息可以包括与插入的镜头和/或显示器相关联的校准简档和/或使得HMD装置能够访问与插入的镜头和/或显示器相关联的校准简档，使得当在显示器上显示图像时成像系统可以矫正失真、色差、投影和镜头居中以及其他因素。识别信息还可以指示镜头类型(例如，镜头焦距)，以使控制器能够基于镜头类型对HMD眼罩形状进行机械调整。

自动校准和机械调整使用户能够实现具有不同特性的不同镜头，同时保持通用的HMD装置平台。示例HMD装置可以包括可变的镜头和显示器接收部，其能够插入包含不同镜头和显示器的镜头和/或显示器模块。模块可以包括存储的关于所集成的镜头或显示器的识别信息，并且HMD装置和/或接收部可以包括传感器，以感测模块或者镜头和显示器上的识别信息。控制器可以使用识别信息来确定镜头类型和校准简档，并且可以在HMD显示器上显示图像之前控制对HMD眼罩的机械调整并且对图像进行失真调整。致动器可以基于来自控制器的几何信息来执行机械调整，该几何信息诸如眼罩一端的镜头和眼罩另一端的显示面板之间的适用距离。

在一些示例中，HMD装置包括显示器、接收可更换的镜头的可变的镜头接收部、从镜头取得镜头信息的传感器、以及根据镜头信息获取预失真的图像的控制器，控制器在显示器上显示预失真的图像。可更换的镜头可以被容纳在或集成到具有与接收部相对应的形状因子的模块中。在一些示例中，镜头信息包括镜头校准简档，并且获取预失真的图像包括控制器在显示器上显示预失真的图像之前基于镜头校准简档应用图像预失真。

在一些示例中，操作HMD装置的方法包括接收HMD装置中的镜头模块，从镜头模块取得镜头信息，从镜头信息确定镜头类型和镜头简档，基于镜头类型调整HMD装置眼罩的形状，以及基于镜头简档校准HMD装置成像系统。

在一些示例中，头戴式显示器(HMD)装置包括：镜头接收部，用于接收自识别的、可更换的镜头模块；读取装置，用于当镜头模块被插入到镜头接收部中时取得存储在镜头模块上的镜头识别信息；以及控制器，用于基于镜头识别信息校准HMD装置。

图1A示出了示例头戴式显示器(HMD)装置100的透视图和框图，该装置适合于实现自识别的、可更换的镜头和显示器，以实现动态眼罩调整和装置校准。示例HMD装置100包括使得用户能够将装置100安装在用户的头上的带102或诸如头盔的其他附接机构。HMD装置100还包括眼罩104以及位于眼罩104的相对端附近的镜头和显示器接收部106、108。接收部可以包括例如具有特定形状因子的框架结构，其能够插入具有相应形状因子的HMD装置部件。这样的部件可以包括可更换的镜头110和电子显示器112，或包含用于插入到接收部106或108中的可更换的镜头和/或电子显示器的相应模块。尽管镜头110和显示器112在图中被讨论和示出为被容纳、封装或以其他方式集成在模块内，但是其他示例也是可能的，诸如使镜头和显示器本身被制造成具有适合于插入到HMD装置的接收部106和108中的形状因子。

如图1A所示，示例HMD装置100还可以包括控制器118和机械致动器120。示例控制器118可以包括处理器(CPU)122、存储器124和用于与HMD装置100的部件进行通信并进行控制的其他电子装置(未示出)。存储器124可以包括易失性和非易失性存储器部件两者，非易失性存储器部件包括非暂时性的机器可读(例如，计算机/处理器可读)介质，其可以提供机器可读的编码程序指令、数据结构、程序指令模块以及HMD装置100的处理器122可执行的其他数据和/或指令的存储。这样的指令、数据结构和模块可以包括例如将在下文更详细地讨论的镜头简档130、显示器简档132、眼罩调整指令模块134和图像预失真指令模块136。

图1A所示的示例HMD装置100被配置为“多合一”装置。也就是说，图1A示出的HMD装置100不仅操作为图像显示装置，而且还操作为在图像被显示之前例如根据镜头简档130和来自图像预失真模块136的指令来处理图像的图像处理装置。在“多合一”HMD装置100的一些示例中，可以远程地生成图像，并在HMD装置100上对图像进行预失真处理。在“多合一”HMD装置100的其他示例中，可以在HMD装置100上进行生成图像和对图像进行预失真处理这两者。

然而，在其他示例中，HMD装置100可以不被配置为“多合一”装置，而是可以被配置为使得在图像被显示在HMD装置100上之前，可以在远程装置上执行一些或所有的图像处理。图1B示出了示例HMD装置100，其图示了多个不同的配置，在多个不同的配置中图像处理和(实现来自模块134的指令的眼罩调整的)其他处理可以发生在远离HMD装置100的装置上。如图1B所示，在一些示例中，HMD装置100可以通过系留或有线连接123(诸如通过HDMI线缆)耦接到远程PC 121或其他处理装置。在一些示例中，如图1B所示，HMD装置100可以通过无线连接125耦接到远程PC 121或其他处理装置。无线连接125可以包括诸如蓝牙^TM、ZigBee^TM、Z-wave^TM等任何合适的无线通信协议。在一些示例中，如图1B所示，HMD装置100可以耦接到诸如云网络129中的服务器127的远程计算装置。云网络129可以表示采用多种网络协议(包括公共和/或专有协议)中的任何一种的多种网络拓扑和类型(包括光、有线和/或无线网络)中的任何一种。因此，云网络129可以包括例如家庭网络、公司网络和互联网，以及一个或多个局域网(LAN)和/或广域网(WAN)及其组合。在诸如图1B所示的示例中，可以在远程计算装置上实现包括镜头简档130、显示器简档132、眼罩调整指令模块134和图像预失真指令模块136的处理部件，从而以与本文相对于图1A所示的“多合一”HMD装置描述的方式相同或相似的方式提供示例HMD装置100的图像处理。

图2示出了集成到镜头模块114中的可更换的镜头110的示例。图3示出了集成到显示器模块116中的电子显示器112的示例。如上所述，模块114和116包括便于它们与不同的镜头110和显示器112一起插入到HMD装置接收部106和108中和从HMD装置接收部106和108中取出的形状因子。图4A和图4B分别示出了HMD装置接收部106和108的示例。具体地，图4A示出了镜头接收部106的示例，其中镜头110和镜头模块114插入到接收部106中，图4B示出了显示器接收部108的示例，其中显示器112和显示器模块116插入到接收部108中。

现在总体参照图1A、图1B、图2、图3、图4A和图4B，可更换的镜头110可以包括具有相关联的镜头校准简档的多种不同类型镜头中的任何一种。因此，可更换的镜头110可以包括具有不同焦距和/或不同光学中心的镜头、解决诸如散光、近视或远视问题的处方镜头、由包括玻璃、塑料和其他材料的不同材料制成的镜头、菲涅耳镜头、镜头组等。一般来说，不同制造厂商提供的合适的可更换的镜头基于用于制造镜头的精制材料、化学物质和工艺的等级可以具有不同等级的光学质量。与这样的可更换的镜头110相关联的镜头校准简档130使得(下文讨论的)HMD装置控制器118能够为图像提供合适的预失真。

可更换的显示器112可以包括诸如OLED显示面板或LCD显示面板的不同类型的显示面板。显示器可以具有诸如显示器分辨率、刷新率、对比度和亮度级别的不同的显示屏特性。与上文讨论的镜头简档130类似，可更换的显示器112可以包括相关联的显示器简档132，显示器简档132使得HMD装置控制器118能够提供合适的图像校准，以帮助基于显示特性来优化图像。

镜头模块114可以存储镜头信息126，镜头信息126可由HMD装置100上的或者装置100中的镜头接收部106上的读取器128或传感器128读取。类似地，显示器模块116可以存储可由读取器/传感器129读取的显示器信息141。镜头和显示器信息126、141可以使用多种类型的存储装置131、133(包括例如RFID标签或微芯片、QR码、IR码或可通过电连接访问的板载存储器)存储在模块114、116上。这样的电连接可以包括例如多个电连接器，以与PC板上的相应连接或镜头模块114上的一组导体接触。在一些示例中，这样的连接可以是在不涉及有源电子器件或电源的情况下识别镜头的预先布线的、预先路由的或以其他方式配置成提供短路或开路的电连接。因此，在不同的示例中，读取器128和129可以包括当模块114、116插入到接收部106、108中时读取模块114、116上的板载存储器131、133的RFID读取器、QR码读取器、IR读取器或控制器118。

镜头信息126可以包括识别镜头类型(例如，镜头焦距)以及制造厂商、型号、材料、制造工艺等的镜头识别信息。当镜头模块114被插入到HMD装置100的镜头接收部106中时，控制器118可以通过读取器128从存储器131访问镜头信息126。使用镜头信息126，控制器118可以访问镜头焦距和其他镜头特性。在一些示例中，控制器118可以执行来自存储在存储器124中的眼罩调整指令模块134的指令，以便确定应用于眼罩104的机械调整量，从而优化插入的镜头的视场。图5示出了由柔性材料138(例如，手风琴样式的材料)形成的示例眼罩104，以适应可以扩展和收缩眼罩104的尺寸、改变镜头110和显示器112之间的距离140的这样的机械调整。控制器118可以控制机械致动器120来调整眼罩104的几何形状。在一些示例中，还可以调整眼罩104的其他几何形状，诸如眼罩开口的尺寸。

在一些示例中，控制器118或其他本地或远程处理装置(例如，图1B；PC 121、服务器127)还可以将镜头信息126与镜头简档130匹配，并且可以在图像预失真校准过程中使用镜头简档130(例如，执行来自图像预失真指令模块136的指令)，以在图像被显示在显示器上之前对图像应用合适的预失真。在一些示例中，镜头简档130可以存储在镜头模块114的板载存储器131中，并且可以由控制器118或远程处理装置通过读取器128访问。

显示器信息141可以包括识别显示器类型(例如，OLED、LCD)以及制造厂商、型号、显示器分辨率、屏幕刷新率、对比度、亮度等级和其他特征的显示器识别信息。当显示器模块116被插入到HMD装置100的显示器接收部108中时，控制器118可以通过读取器143从存储器133访问显示器信息141。使用显示器信息141，控制器118可以确定显示器简档132，显示器简档132可以在图像预失真校准过程(例如，执行来自图像预失真指令模块136的指令)中使用，以在图像被显示在显示器上之前对图像应用合适的预失真。在一些示例中，显示器简档132可以存储在显示器模块116的板载存储器133中，并且可以由控制器118通过读取器143访问。

虽然在图2和图3中已经讨论并示出了示例镜头和显示器模块114和116是单独的模块，每个模块分别包括单个可更换的镜头110和显示器112，但是可更换的镜头和显示器的其他模块配置也是可能的，并且在本文被考虑。例如，图6示出了容纳两个镜头和两个显示面板的双镜头和显示器模块142的示例。在这个示例中，镜头和显示器可以处于固定的相对位置。但是，在其他示例中，这样的双模块142可以包括可扩展和可收缩的部件，这使得镜头和显示器之间的距离能够以与上文关于图3所讨论的方式类似的方式变化。

图7和图8(即，图8A和图8B)是示出了操作头戴式显示器(HMD)装置的示例方法700和800的流程图。方法800包括方法700的扩展，并结合了方法700的附加细节。方法700和800与上文关于图1A、图1B-图6讨论的示例相关联，并且方法700和800中示出的操作细节可以在这些示例的相关讨论中找到。方法700和800的操作可以实施为存储在诸如图1A所示的存储器/存储装置124的非暂时性机器可读(例如，计算机/处理器可读)介质上的编程指令。在一些示例中，方法700和800的操作的实施可以由具有处理器的控制器来实现，诸如图1A的具有处理器122的控制器118，其读取和执行存储在存储器124中的编程指令。在一些示例中，方法700和800的操作的实施可以单独使用ASIC和/或其他硬件部件或与可由处理器122执行的编程指令相结合来实现。

方法700和800可以包括一个以上的实施方式，并且方法700和800的不同实施方式可以不采用在图7和图8的相应流程图中所呈现的每个操作。因此，尽管方法700和800的操作在其各自的流程图中以特定顺序呈现，但是它们呈现的顺序并不旨在对操作实际上可被实施的顺序或是否所有的操作都可被实施进行限制。例如，方法800的一个实施方式可以由执行多个初始操作来实现，而不执行其他后续操作，而方法800的另一个实施方式可以由执行所有操作来实现。

现在参照图7的流程图，操作头戴式显示器(HMD)装置的示例方法700从框702处开始，在框702处在HMD装置中接收镜头模块，其中镜头模块包括可更换的镜头。方法可以继续从镜头模块取得镜头信息(框704)，并从镜头信息确定镜头类型和镜头简档(框706)。方法可以进一步包括基于镜头类型来调整HMD装置的眼罩形状(框708)，以及基于镜头简档对图像进行预失真校准(框710)。

现在参照图8(即，图8A、图8B)的流程图，其示出了操作头戴式显示器(HMD)装置的另一示例方法800。方法800包括方法700的扩展，并结合了方法700的附加细节。相应地，方法800从框802处开始，在框802处在HMD装置中接收镜头模块，其中镜头模块包括可更换的镜头。方法可以继续从镜头模块取得镜头信息(框804)，从镜头信息确定镜头类型和镜头简档(框806)，基于镜头类型调整HMD装置的眼罩形状(框808)，以及基于镜头简档对图像进行预失真校准(框810)。

图8A的方法800在图8B继续。在方法800的一些示例中，调整眼罩形状可以包括改变镜头模块和头戴式显示器的显示面板之间的距离，和/或改变眼罩开口的尺寸(框812)。在一些示例中，对图像进行预失真校准可以包括对图像应用桶形失真和色度失真(框814)。在一些示例中，从镜头模块取得镜头信息可以包括从镜头模块上的存储装置读取镜头信息(框816)。在一些示例中，确定镜头简档可以包括从镜头模块上的存储器读取镜头简档(框818)。方法还可以包括在HMD装置中接收显示器模块，其中显示器模块包括可更换的显示器(框820)。在一些示例中，该方法还可以包括从显示器模块取得显示器信息(框822)，以及基于显示器信息对图像进行预失真校准(框824)。