CN105700144A - 一种头戴式图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种头戴式图像显示装置，包括：通光区域、以及位于通光区域内的图像显示器和光学组件；其中，光学组件将图像显示器显示的图像信号分别投射入佩戴者的左眼和右眼，并在佩戴者的视线前方形成虚拟图像。本发明的头戴式图像显示装置通过一系列具有半透半反功能的光学组件将图像信号放大并分别投射至佩戴者的双眼，进而在佩戴者的视线前方形成虚拟图像，该头戴式图像显示装置仅需要一个图像显示器件，制造成本低、轻薄便携、深度可调，且能够满足透明度和视场角的要求。

Description

一种头戴式图像显示装置

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种头戴式图像显示装置。

背景技术

随着科学技术的发展，头戴式显示装置的应用越来越广泛。在应用于增强现实显示技术中时，需要头戴式显示装置具有较高的透明度和较大的视场角，并且不对外界进入人眼的光线产生偏折。

现有技术中的头戴式显示装置，例如采用全息光栅和光波导的技术设计的头戴式显示装置，制作工艺复杂、成本高、存在色散，且视场角较小；采用的Waveguideswithmicroreflector技术实现透视效果显示器，制作难度大、成本高、视场有限；采用基于微透镜阵列的集成显示技术制作的智能眼镜分辨率低、像差大、不具有透视功能；利用双投影设备+双凹面镜结构实现透视效果的智能眼镜，成像面的位置固定、不具备调焦的功能，且成本较高、设备较厚重。

综上，如何控制成本加工制造透明度和视场角均满足需求的头戴式显示装置是增强现实显示技术领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种头戴式图像显示装置，解决了现有技术中头戴式显示装置制造成本高，且视场角较小的问题。

依据本发明的一个方面，提供了一种头戴式图像显示装置，包括：通光区域、以及位于通光区域内的图像显示器和具有半透半反功能的光学组件；其中，光学组件将图像显示器显示的图像信号分别投射入佩戴者的左眼和右眼，并在佩戴者的视线前方形成虚拟图像。

其中，光学组件包括：第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；其中，图像显示器显示的图像信号经第一光学元件处理后形成第一虚像和第二虚像，第二光学元件将第一虚像反射入佩戴者的一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第三虚像，第三光学元件对第二虚像处理后形成第四虚像，并将第四虚像反射入佩戴者的另一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第五虚像；其中，第三虚像和第五虚像重合。

其中，光学组件还包括第四光学元件，图像显示器显示的图像信号经第四光学元件反射后形成倒立实像，第一光学元件对倒立实像处理后形成第一虚像和第二虚像。

其中，第一光学元件包括：

正弯月形凸透镜和设置于正弯月形凸透镜凹面上的半透半反膜。

其中，第一光学元件包括：第一凸透镜，以及具备半透半反功能的凹面镜；其中，凹面镜位于第一凸透镜与图像显示器之间。

其中，第一光学元件包括：第一平凸透镜、第二平凸透镜，和第一平凸透镜和第二平凸透镜之间填充的半透半反层。

其中，第一光学元件包括：一半透半反镜，以及设置于半透半反镜两侧的第二凸透镜和第三凸透镜。

其中，第二光学元件包括第一半透半反镜，第一半透半反镜将经第一光学元件反射形成的第一虚像反射至佩戴者的一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第三虚像。

其中，第三光学元件包括第二半透半反镜和平面镜；其中，平面镜将经第一光学元件透射形成的第二虚像反射，形成第四虚像，第二半透半反镜将第四虚像反射入佩戴者的另一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第五虚像。

其中，通光区域包括相互连通且呈一定角度的第一通光区域和第二通光区域；其中，在第一通光区域和第二通光区域的连接处设置有第四光学元件，第四光学元件包括全反射的第一凹面镜，图像显示器位于第一通光区域内，第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件均位于第二通光区域内；图像显示器显示的图像信号经过第一凹面镜的反射在第二通光区域内形成一倒立实像。

其中，第一凹面镜的成像公式为：

$\frac{1}{a}+\frac{1}{b}=\frac{1}{f_a}$

式中，a表示第一凹面镜与图像显示器之间的距离，b表示第一凹面镜与倒立实像之间的距离，f_a表示第一凹面镜的焦距；

其中，图像显示器位于第一凹面镜两倍焦距处或两倍焦距外。

其中，第一光学元件反射成像公式为：

$\frac{1}{c}+\frac{1}{d}=\frac{1}{f_b}$

式中，c表示倒立实像与第一光学元件之间的距离，d表示第一虚像与第一光学元件之间的距离，f_b表示第一光学元件的反射焦距；

其中，倒立实像位于第一光学元件一倍焦距内。

其中，第一光学元件折射成像公式为：

$\frac{1}{c}+\frac{1}{g}=\frac{1}{f_c}$

式中，c表示倒立实像与第一光学元件之间的距离，g表示倒立实像经第一光学元件折射后形成的第二虚像与第一光学元件之间的距离，f_c表示第一光学元件的折射焦距；

其中，第一虚像与第一光学元件之间的距离为第一距离，第一光学元件与第一半透半反镜之间的距离为第二距离，第二虚像与平面镜之间的距离为第三距离，平面镜与第二半透半反镜之间的距离为第四距离；第一距离和第二距离的和，与第三距离和第四距离的和相等；且f_b＝f_c。

本发明的实施例的有益效果是：

该头戴式图像显示装置通过具有半透半反功能的光学组件将图像信号放大并分别透射至佩戴者的双眼，进而在佩戴者的视线前方形成虚拟图像，该头戴式图像显示装置仅需要一个图像显示器件，制造成本低、轻薄便携、深度可调，且能够满足透明度和视场角的要求。

附图说明

图1表示本发明的头戴式图像显示装置的结构示意图；

图2表示本发明的头戴式图像显示装置的实像成像原理示意图；

图3表示本发明的头戴式图像显示装置的右眼成像原理示意图；

图4表示本发明的头戴式图像显示装置的左眼成像原理示意图；

图5表示本发明的第一光学元件的结构示意图一；

图6表示本发明的第一光学元件的结构示意图二；

图7表示本发明的第一光学元件的结构示意图三；

图8表示本发明的第一光学元件的结构示意图四。

其中图中：1、通光区域，2、图像显示器，3、第一光学元件，4、第二光学元件，5、第三光学元件，6、第四光学元件；

30、正弯月形凸透镜，31、半透半反膜，32、第一凸透镜，33、凹面镜，34、第一平凸透镜，35、第二平凸透镜，36、半透半反层，37、半透半反镜，38、第二凸透镜，39、第三凸透镜；

40、第一半透半反镜；

50、第二半透半反镜，51、平面镜；

60、第一凹面镜；

101、第一虚像，102、第二虚像，103、第三虚像，104、第四虚像，105第五虚像，106、倒立实像。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例

如图1所示，本发明的实施例提供了一种头戴式图像显示装置，包括：通光区域1、以及位于通光区域1内的图像显示器2和具有半透半反功能的光学组件；其中，光学组件将图像显示器2显示的图像信号分别投射入佩戴者的左眼和右眼，并在佩戴者的视线前方形成虚拟图像。其中，该头戴式图像显示装置的通光区域1可以是空心的自由空间，也可以是实心的透明材料。当然，如果将其应用于非透视效果的VR显示领域，可以对通光区域1的外侧表面做不透明处理，以达到最佳的沉浸感体验。图像显示器2为微型显示屏幕，主要用于投放和显示图像或视频信息，例如微型投影仪、激光、LED屏、DMD等显示装置。该头戴式图像显示装置通过具有半透半反功能的光学组件将图像信号放大并分别透射至佩戴者的双眼，进而在佩戴者的视线前方形成虚拟图像，该头戴式图像显示装置仅需要一个图像显示器件，制造成本低、轻薄便携、深度可调，且能够满足透明度和视场角的要求。

具体地，如图1至图4所示，上述光学组件包括：第一光学元件3、第二光学元件4和第三光学元件5；其中，图像显示器2显示的图像信号经第一光学元件3处理后形成第一虚像101和第二虚像102，第二光学元件4将第一虚像101反射入佩戴者的一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第三虚像103，第三光学元件5对第二虚像102处理后形成第四虚像104，并将第四虚像104反射入佩戴者的另一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第五虚像105；其中，第三虚像103和第五虚像105重合。

其中，第一光学元件3是具备半透半反功能的光学组件或单一元件，如图5所示，第一光学元件3包括：正弯月形凸透镜30和设置于正弯月形凸透镜30凹面上的半透半反膜31，其中，半透半反膜31镀在正弯月形凸透镜30的凹面上，第一光学元件3做成单一元件，可使整个装置紧凑轻薄。当光线从半透半反膜31侧入射时，半透半反膜31会透射一部分光线并反射一部分光线，透射光线经过正弯月形凸透镜30折射，其中，反射光线经过半透半反膜31满足凹面镜成像原理，透射光线经过正弯月形凸透镜30折射满足凸透镜成像原理。

进一步地，该第一光学元件3还可以做成如图6所示的两个独立固件结构，即第一光学元件3包括：第一凸透镜32，以及具备半透半反功能的凹面镜33；其中，凹面镜33位于第一凸透镜32与图像显示器2之间，其中第一凸透镜32的形状可以为任意形状，不对其做具体形状限定。

进一步地，该第一光学元件3还可做成如图7所示的三胶合透镜结构，具体地，第一光学元件3包括：第一平凸透镜34、第二平凸透镜35，和第一平凸透镜34和第二平凸透镜35之间填充的半透半反层36。其中，第一平凸透镜34和第二平凸透镜35的结构形状完全相同，当光线从第二平凸透镜35侧入射时，一部分光线经第二平凸透镜35折射后被半透半反层36反射，再经第二平凸透镜35折射后出射，这个过程相当于经过一片标准形状的凸透镜；而另一部分光线经过第二平凸透镜35折射后被半透半反层36透射，在经过第一平凸透镜34折射后出射，其过程也相当于经过一片标准形状的凸透镜，这样即可在第一光学元件3的左右两侧形成对应的虚像。

进一步地，第一光学元件3还做成如图8所示的三个固件，具体包括：一半透半反镜37，以及设置于半透半反镜37两侧的第二凸透镜38和第三凸透镜39。其中，第二凸透镜38和第三凸透镜39可以为任意形状，不对其做具体形状限定。

其中，如图1至图4所示，光学组件还包括第四光学元件6，图像显示器2显示的图像信号经第四光学元件6反射后形成倒立实像106，第一光学元件3对倒立实像106处理后形成第一虚像101和第二虚像102。

进一步地，通光区域1包括相互连通且呈一定角度的第一通光区域和第二通光区域；其中，在第一通光区域和第二通光区域的连接处设置有第四光学元件6，第四光学元件6包括全反射的第一凹面镜60，图像显示器2位于第一通光区域内，第一光学元件3、第二光学元件4和第三光学元件5均位于第二通光区域内；图像显示器2显示的图像信号经过第一凹面镜60的反射在第二通光区域内形成一倒立实像106。此外，第四光学元件6除了可以是凹面镜结构，可一个是平面反射镜、具有固定焦距的球面反射镜、电控调焦的可变形镜或是平面反射镜和变焦透镜的组合元件，只要是能够实现光束转向、扩束、成像功能的组合透镜、变焦透镜或变焦反射镜均可作为第四光学元件6的具体结构形态。

其中，第二光学元件4包括第一半透半反镜40，第一半透半反镜40将经第一光学元件3反射形成的第一虚像101反射至佩戴者的一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第三虚像103。

其中，第三光学元件5包括第二半透半反镜50和平面镜51；其中，平面镜51将经第一光学元件3透射形成的第二虚像102反射，形成第四虚像104，第二半透半反镜50将第四虚像104反射入佩戴者的另一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第五虚像105。

下面将结合附图对光线传播和成像过程做进一步地说明。如图2所示，图像显示器2加载播放的图像信号并显示，在通光区域1内传输，在第四光学元件6(第一凹面镜60)的反射作用下，形成一倒立实像106，其中，成像公式满足凹面镜成像原理，具体为：

$\frac{1}{a}+\frac{1}{b}=\frac{1}{f_a}$

式中，a表示第一凹面镜60与图像显示器2之间的距离，b表示第一凹面镜60与倒立实像106之间的距离，即成像的像距，f_a表示第一凹面镜60的焦距；其中，图像显示器2位于第一凹面镜60两倍焦距处或两倍焦距外，这样可形成倒立等大或倒立缩小的倒立实像106。其中，当改变第一凹面镜60的焦距f_a时，会改变像距b，进而改变倒立实像106与第一光学元件3之间的距离c，最终导致倒立实像106靠近或远离正弯月形凸透镜30。倒立实像106与第一光学元件3的距离决定了整个装置的视场角，距离越小，视场角越大，通过调节第一凹面镜60的焦距以及图像显示器2的位置，可以实现大视场角的需求。

如图3所示，在通光区域1形成倒立实像106后，光束继续射入半透半反膜31上，这时一部分光线发生反射，一部分光线发生透射，图3所示为反射光成像过程，半透半反膜31的反射成像原理为凹面镜成像原理，倒立实像106的光线经半透半反膜31反射后发散，在半透半反膜31的左侧形成第一虚像101，光线经半透半反膜31反射后将发散光射入第一半透半反镜40，经第一半透半反镜40的反射作用后进入佩戴者右眼，从而在佩戴者的视线前方形成第三虚像103。具体反射成像公式为：

$\frac{1}{c}+\frac{1}{d}=\frac{1}{f_b}$

式中，c表示倒立实像106与第一光学元件3(半透半反膜31)之间的距离，d表示第一虚像101与第一光学元件3(半透半反膜31)之间的距离，f_b表示第一光学元件3(半透半反膜31)的反射焦距；其中，倒立实像106位于第一光学元件3(半透半反膜31)一倍焦距内，从而在半透半反膜31的左侧形成正立放大的第一虚像101。其中，倒立实像106与半透半反膜31之间的距离c改变，则第一虚像101与半透半反膜31之间的距离d改变，这样就使得第三虚像103靠近或远离佩戴者，最终实现变焦效果。佩戴者右眼成像采用凹面镜结构，低像差、无色差，且第一光学元件3设置于鼻托位置，不会影响佩戴者的视线。

进一步地，图3中，c表示倒立实像106与半透半反膜31之间的距离，d表示第一虚像101与半透半反膜31之间的距离，e表示半透半反膜31与第一半透半反镜40之间的距离，右眼成像的光路距离为：c+e，像距为：d+e。

如图4所示，在通光区域1形成倒立实像106后，光束继续射入半透半反膜31上，这时一部分光线发生反射，一部分光线发生透射，图4为透射光成像过程，半透半反膜31的透射成像原理为凸透镜成像原理，由于倒立实像106与第一光学元件3的距离小于正弯月形凸透镜30的一倍焦距，所以倒立实像106的光线经正弯月形凸透镜30折射后发散，在正弯月形凸透镜30的右侧形成正立放大的第二虚像102，光线经正弯月形凸透镜30折射后将发散光射入平面镜51，经平面镜51的反射后在平面镜51的左侧形成与第二虚像102等大的第四虚像104，经正弯月形凸透镜30折射射入平面镜51的光，再经平面镜51的反射作用后，射入第二半透半反镜50中，再经第二半透半反镜50的反射作用后进入佩戴者左眼。具体地折射成像公式为：

$\frac{1}{c}+\frac{1}{g}=\frac{1}{f_c}$

式中，c表示倒立实像106与第一光学元件3(正弯月形凸透镜30)之间的距离，g表示倒立实像106经第一光学元件3(正弯月形凸透镜30)折射后形成的第二虚像102与第一光学元件3(正弯月形凸透镜30)之间的距离，f_c表示第一光学元件3(正弯月形凸透镜30)的折射焦距。其中，图4中，c表示倒立实像106与正弯月形凸透镜30之间的距离，g表示第二虚像102与正弯月形凸透镜30之间的距离，h表示正弯月形凸透镜30与平面镜51之间的距离，k表示第二半透半反镜50与平面镜51之间的距离，左眼成像的光路距离为：c+h+k，像距为：g+h+k。

如图3和图4所示，为了保证左眼和右眼所观看到的虚像完全重合避免晕眩感，即需要保证第三虚像103和第五虚像105大小相等，则需要f_b＝f_c；第三虚像103和第五虚像105的像距相等，即d+e＝g+h+k。也就是说，第一虚像101与第一光学元件3之间的距离为第一距离d，第一光学元件3与第一半透半反镜40之间的距离为第二距离e，第二虚像102与平面镜51之间的距离为第三距离g+h，平面镜51与第二半透半反镜50之间的距离为第四距离k；第一距离和第二距离的和d+e，与第三距离和第四距离的和g+h+k相等。

综上，该头戴式图像显示装置通过具有半透半反功能的光学组件将图像信号放大并分别透射至佩戴者的双眼，进而在佩戴者的视线前方形成虚拟图像，该头戴式图像显示装置仅需要一个图像显示器件，制造成本低、轻薄便携、深度可调，且能够满足透明度和视场角的要求。此外需要指出的是，该头戴式图像显示装置可以做成头盔式外观，亦可做成框架眼镜式外观。

以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种头戴式图像显示装置，其特征在于，包括：通光区域、以及位于所述通光区域内的图像显示器和具有半透半反功能的光学组件；其中，所述光学组件将所述图像显示器显示的图像信号分别投射入佩戴者的左眼和右眼，并在所述佩戴者的视线前方形成虚拟图像。

2.根据权利要求1所述的头戴式图像显示装置，其特征在于，所述光学组件包括：第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；其中，所述图像显示器显示的图像信号经所述第一光学元件处理后形成第一虚像和第二虚像，所述第二光学元件将所述第一虚像反射入佩戴者的一只眼中，并在所述佩戴者的视线前方形成第三虚像，所述第三光学元件对所述第二虚像处理后形成第四虚像，并将所述第四虚像反射入所述佩戴者的另一只眼中，并在所述佩戴者的视线前方形成第五虚像；其中，所述第三虚像和所述第五虚像重合。

3.根据权利要求2所述的头戴式图像显示装置，其特征在于，所述光学组件还包括第四光学元件，所述图像显示器显示的图像信号经所述第四光学元件反射后形成倒立实像，第一光学元件对所述倒立实像处理后形成第一虚像和第二虚像。

4.根据权利要求3所述的头戴式图像显示装置，其特征在于，所述第一光学元件包括：

正弯月形凸透镜和设置于所述正弯月形凸透镜凹面上的半透半反膜。

5.根据权利要求3所述的头戴式图像显示装置，其特征在于，所述第一光学元件包括：第一凸透镜，以及具备半透半反功能的凹面镜；其中，所述凹面镜位于所述第一凸透镜与所述图像显示器之间。

6.根据权利要求3所述的头戴式图像显示装置，其特征在于，所述第一光学元件包括：第一平凸透镜、第二平凸透镜，以及在所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜之间填充的半透半反层。

7.根据权利要求3所述的头戴式图像显示装置，其特征在于，所述第一光学元件包括：一半透半反镜，以及设置于所述半透半反镜两侧的第二凸透镜和第三凸透镜。

8.根据权利要求4至7任一项所述的头戴式图像显示装置，其特征在于，所述第二光学元件包括第一半透半反镜，所述第一半透半反镜将经所述第一光学元件反射形成的第一虚像反射至佩戴者的一只眼中，并在所述佩戴者的视线前方形成第三虚像。

9.根据权利要求8所述的头戴式图像显示装置，其特征在于，所述第三光学元件包括第二半透半反镜和平面镜；其中，所述平面镜将经所述第一光学元件透射形成的第二虚像反射，形成第四虚像，所述第二半透半反镜将所述第四虚像反射入所述佩戴者的另一只眼中，并在所述佩戴者的视线前方形成第五虚像。

10.根据权利要求9所述的头戴式图像显示装置，其特征在于，所述通光区域包括相互连通且呈一定角度的第一通光区域和第二通光区域；其中，在所述第一通光区域和所述第二通光区域的连接处设置有第四光学元件，所述第四光学元件包括全反射的第一凹面镜，所述图像显示器位于所述第一通光区域内，所述第一光学元件、所述第二光学元件和所述第三光学元件均位于所述第二通光区域内；所述图像显示器显示的图像信号经过所述第一凹面镜的反射在所述第二通光区域内形成一倒立实像。

11.根据权利要求10所述的头戴式图像显示装置，其特征在于，所述第一凹面镜的成像公式为：

$\frac{1}{a}+\frac{1}{b}=\frac{1}{f_a}$

式中，a表示所述第一凹面镜与所述图像显示器之间的距离，b表示所述第一凹面镜与所述倒立实像之间的距离，f_a表示所述第一凹面镜的焦距；

其中，所述图像显示器位于所述第一凹面镜两倍焦距处或两倍焦距外。

12.根据权利要求11所述的头戴式图像显示装置，其特征在于，所述第一光学元件反射成像公式为：

$\frac{1}{c}+\frac{1}{d}=\frac{1}{f_b}$

式中，c表示所述倒立实像与所述第一光学元件之间的距离，d表示所述第一虚像与所述第一光学元件之间的距离，f_b表示所述第一光学元件的反射焦距；

其中，所述倒立实像位于所述第一光学元件一倍焦距内。

13.根据权利要求12所述的头戴式图像显示装置，其特征在于，所述第一光学元件折射成像公式为：

$\frac{1}{c}+\frac{1}{g}=\frac{1}{f_c}$

式中，c表示所述倒立实像与所述第一光学元件之间的距离，g表示所述倒立实像经所述第一光学元件折射后形成的第二虚像与所述第一光学元件之间的距离，f_c表示所述第一光学元件的折射焦距；

其中，所述第一虚像与所述第一光学元件之间的距离为第一距离，所述第一光学元件与所述第一半透半反镜之间的距离为第二距离，所述第二虚像与所述平面镜之间的距离为第三距离，所述平面镜与所述第二半透半反镜之间的距离为第四距离；所述第一距离和第二距离的和，与所述第三距离和第四距离的和相等；且f_b＝f_c。