CN106054390A - 一种显示装置以及使用该显示装置的头戴式设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种显示装置以及使用该显示装置的头戴式设备，其中显示装置包括至少一组显示器以及将所述显示器的画面进行放大的复合镜片，所述复合镜片包括所述复合镜片包括依次设置的凸透镜和具有凹面的反射膜；所述凸透镜将所述画面进行第一次放大后，由所述反射膜的凹面进行第二次放大并反射给所述凸透镜进行第三次放大。本发明的成像原理简单，相同的曲率半径可以放大更大的倍数，实现短焦距的镜片，为轻便小型的头戴式设备提供有利条件。

Description

一种显示装置以及使用该显示装置的头戴式设备

技术领域

本发明涉及一种显示装置，尤其涉及一种使用了该显示装置实现虚拟现实（VR）和/或增强现实（AR）的头戴式设备。

背景技术

目前VR设备和AR设备迅速发展，功能越来越完善，已经有趋势能取代智能手机逐渐成为人们日常生活中不可或缺的装备。但是现有的VR设备及AR设备均或多或少存在一些缺陷，例如体积庞大就是一个明显的问题，这将造成人们使用上的各种不便。

以VR为例，现有的头盔式VR眼镜外观上均呈一个略微有弧度的盒状体，其内放置着显示屏以及将显示屏内的内容进行放大的透镜或透镜组，如图1所示，市面上常见的沉浸式头盔VR眼镜，图中尺寸大小固定的显示屏2要在人眼3前得到像屏1那样大小的像，就需要图中那样大小的凸透镜4，若要得到更大的视角必须加大凸透镜4的外径，这样一来同时也势必会引起像距增大，这样就造成了市面上头盔VR眼镜体积庞大臃肿、使用受限的缺点。而且为了将显示屏的内容放大至理想的倍数，也有可能需要采用透镜组，将多个具有放大效果的凸透镜沿光轴依次排列来实现，这将使得透镜组的焦距较长，这会使得VR眼镜从人眼处向眼前伸出很长一段距离，外观美观程度难以让人接受，且有出行上街的限制等缺陷。

此外，这种VR眼镜也只能提供虚拟画面，无法实现增强现实的效果。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术中存在的技术问题，提出一种显示装置，包括至少一组显示器以及将所述显示器的画面进行放大的复合镜片，该复合镜片包括依次设置的凸透镜和具有凹面的反射膜。所述凸透镜将所述画面进行第一次放大后，由所述反射膜的凹面进行第二次放大并反射给所述凸透镜进行第三次放大。

在一本实施例中，若反射膜采用的是全反射膜，所述凸透镜远离所述显示器的光学面为凸面，全反射膜可以镀于所述凸面上，形成了相对于显示器的凹面，这样的显示装置适用于VR设备中。

在另一实施例中，所述反射膜也可以为半透半反射膜，所述半透半反射膜远离所述显示器的一侧设有用于中和所述凸透镜放大倍数的凹透镜，所述凹透镜的凹面朝向所述显示器。在该实施例中，半透半反射膜既可以镀在凸透镜远离显示器一侧的凸面上，也可以镀于凹透镜朝向显示器的凹面上。该实施例即可以反射光路又可以透视，因此同时适用于VR产品和AR产品，属于较优实施例。

在该实施例中，凸透镜和凹透镜又有多种不同变形，一种是所述凸透镜和凹透镜的相对的光学面完全贴合，且所述凸透镜的正焦距的绝对值等于凹透镜的负焦距的绝对值。两个透镜对于所观察的外景光线的发散和汇聚作用互相抵消，具有正常视力的观察者可透过所述光学系统正常观察外景。另一种是所述凸透镜和凹透镜的相对的光学面部分贴合，且所述凸透镜的正焦距的绝对值大于或小于凹透镜的负焦距的绝对值，使两个透镜的组合对于所观察的外景产生相当于远视镜片或近视镜片的效果，适合患有远视或近视的观察者观察外景使用。

本技术方案中，所述显示器的画面由与所述显示器有线或无线连接的主机提供，所述主机具有可运行应用程序的硬件系统和软件系统。所述显示器为透明显示器。

本发明还提出了采用上述显示装置制成的头戴式设备，所述头戴式设备包括一眼镜架，所述显示装置的显示器及复合镜片均设有两个，两个复合镜片分别固定在眼镜架的镜框中，两个显示器固定在所述镜框与人眼之间。

本发明的成像放大原理不仅结构简单，而且可大大缩短焦距、对图像在有限的空间内实现最大限度的放大。同时可增强图像的品质和亮度。同时因为本发明的复合镜片具有体积小、厚度薄、缩放比例大、短焦距等众多优点，通过复合镜片替代头盔式VR眼镜里的凸透镜就能克服其体积庞大的劣势。再把该复合镜片延伸应用于人们日常生活中的眼镜上就能升级为一款新型的穿戴式设备，例如智能眼镜，在外侧遮住镜面就是一款精华版的VR眼镜，可实现虚拟现实；如果不遮住镜片而令人眼可以看到外景，实现外景与显示器信息在人眼视场的叠加，则成为一款AR眼镜，实现增强现实；把显示器关掉又是一款普通的太阳墨镜，使得智能眼镜具有的集合强大功能和轻巧便携于一体的特性，这是市面上类似产品从未有过的。

附图说明

图1为现有技术的第一种结构示意图。

图2为本发明一实施例的成像原理图。

图3为本发明的头戴式设备一实施例的立体图。

具体实施方式

下面通过多个实施例对本发明的原理及结构进行详细说明。

第一实施例

该实施例中，显示装置包括至少一组显示器和复合镜片。复合镜片包括依次设置在显示器一侧的凸透镜和反射膜，凸透镜远离显示器一侧的光学面为凸面，反射膜镀于该凸面上，形成一个凹面。

具体的放大成像原理在于，凸透镜相对于显示器具有正的焦距，可将显示器的画面发出的光线进行第一次汇聚；然后凸透镜的凸面相对于显示器来说其实就是一个凹面，其上面还镀着反射膜，因此相对于显示器成为一个凹面镜，可将显示器发出的光线朝人眼方向反射回去的同时进行第二次汇聚，然后，光线将第二次通过凸透镜进行光线的第三次汇聚，最终为人眼所观察到。这个经过三次光线汇聚的光学系统在光路上等效于一个具有更大曲率的单一凹面镜，但避免了过于突兀的外观，同时实现了大通光孔径和短焦距，这样就实现了大的观察视角。因此，该实施例十分适用于VR产品，可以大大减小现有的VR产品的厚度，使其朝着轻薄化发展。

第二实施例

如图2所示，本发明显示装置的另一较佳实施例，也包括至少一组：显示器2和复合镜片4。复合镜片相对于显示器的画面具有放大功能，可以将显示器显示的画面在人眼3前进行放大形成像1。

在该实施例中，复合镜片自显示器的一侧朝向远离显示器的方向依次设置了一个凸透镜41和一个凹透镜42，凹透镜42的凹面朝向显示器2，反射膜采用的是半透半反射膜，并且设置在凸透镜41和凹面镜42之间。半透半反射膜既可以固定在凸透镜的远离显示器一侧的凸面上也可以固定在凹透镜的凹面上。半透半反射膜具体的可以采用增反膜，也可以采用厚度为纳米级的薄金属反射膜。

第二实施例的光学成像原理与第一实施例大致相同，凸透镜相对于显示器具有正的焦距，可将显示器发出的光线进行第一次汇聚；半透半反射膜无论是位于凸透镜的凸面上还是位于凹透镜的凹面上，均会在凸透镜远离显示器的一侧形成一个相对于显示器的凹面镜，并将显示器发出的光线朝人眼方向反射回去，同时进行第二次汇聚，汇聚后的光线将会再次通过凸透镜进行第三次汇聚，最终为人眼所观察到。这个经过三次光线汇聚的光学系统在光路上等效于一个具有更大曲率的单一凹面镜，但避免了过于突兀的外观，同时实现了大通光孔径和短焦距，这样就实现了大的观察视角。另一方面，外景发出的光线先经过凹透镜进行一定程度的发散，然后穿过半透半反射膜后马上被凸透镜进行大致是同等程度的汇聚，然后为人眼接收，因此该复合镜片可以实现人眼对外景的直接观察，人的视野中将同时出现外景和显示器画面，因此该显示装置可以实现普通眼镜形态下的大视角虚拟/增强现实（VR/AR）或混合现实（MR）功能。

在该实施例当中，凸透镜和凹透镜之间的具体结构可以有多种实施例。

在其中一个实施例中，凸透镜41和凹透镜42相对的两个光学面完全贴合，且外径差不多一致，凸透镜的正焦距的绝对值等于凹透镜的负焦距的绝对值，两个透镜对于所观察的外景光线的发散和汇聚作用互相抵消，使得复合镜片为度数为0的平光镜，从外观上看，复合镜片4与普通的墨镜镜片一样，可以适用于视力正常的用户。

在另一个实施例中，凸透镜的正焦距的绝对值可以大于或小于凹透镜的负焦距的绝对值，这样它们的曲率半径不一致，凸透镜和凹透镜的相对的光学面只有部分可以贴合，两个透镜相互组合形成的复合镜片对于所观察的外景产生相当于远视镜片或近视镜片的效果，适合患有远视或近视的观察者观察外景使用。

在上述两个实施例当中，反射膜可以只镀需要进行反射的部分，也可以镀满整个镜片的一个光学面，为了在本实施例中，但是为了整体美观，较优的是镀满整个光学面。

上述两个实施例中，显示器2与一主机进行无线或无线的方式进行连接（图中未示出），通过主机提供相应的画面，该主机具有可运行应用程序的硬件系统和软件系统，譬如计算机、智能手机、微型电脑等等。显示器2可以采用透明显示器，放置于人眼的正前方，让人眼视线穿过，以实现最大视角，也可以采用普通的不透明微型显示器，放置于人眼下方。

采用与本发明的复合镜片同样大小且曲率相同的透镜时，假设其放大倍数为2倍，应用至具体的智能头戴式设备中时，只能放大2倍。而本发明的复合镜片的放大倍数则变为2×2×2等于约为8倍。提供给人眼接收的像屏也大大增加，其视觉感受不言而喻。同时因为复合镜片等效于三个凸透镜的效果叠加，根据透镜成像原理公式，复合镜片的成像焦距也相应减小，这样为后续其延伸的穿戴式设备奠定了基础，有利于智能穿戴式设备减小体积。

图3是本发明的显示装置具体应用的一个实施例，在该实施例中，本发明保护采用上述显示装置作为一个部件的头戴式设备，具体的该头戴式设备是一种智能眼镜，包括一个眼镜架，显示装置的显示器及复合镜片均设有两个，两个复合镜片4分别固定在眼镜架的镜框中，两个显示器2固定在镜框与人眼之间，通过一些固定装置与眼镜框固定，尽量隐藏在复合镜片后，使得智能眼镜看起来与普通墨镜差不多。

以第二实施例为例，人们戴上这款智能眼镜后，显示器2中的画面经过复合镜片在人眼3的前方形成一个巨大的像1，人们用挡板挡住复合镜片4前方时，该智能眼镜就是一款体积小、轻便且功能增强型的VR眼镜产品。因该复合镜片具有短焦距的特点，微型的显示器完全可置于镜片与人脸的空隙之间又不影响成像、不影响人的正常视角，当人们不需要VR功能时，只需关闭显示器即可。智能眼镜又可以充当普通的墨镜。所以使智能眼镜成为一款集AR和VR功能之大成的混合现实（MR）产品。

以上具体实施例仅用以举例说明本发明的结构，本领域的普通技术人员在本发明的构思下可以做出多种变形和变化，这些变形和变化均包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种显示装置，包括至少一组显示器以及将所述显示器的画面进行放大的复合镜片，其特征在于，所述复合镜片包括依次设置的凸透镜和具有凹面的反射膜；

所述凸透镜将所述画面进行第一次放大后，由所述反射膜的凹面进行第二次放大并反射给所述凸透镜进行第三次放大。

2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述反射膜为全反射膜，所述凸透镜远离所述显示器的光学面为凸面，所述全反射膜镀于所述凸面上。

3.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述反射膜为半透半反射膜，所述半透半反射膜远离所述显示器的一侧设有用于中和所述凸透镜放大倍数的凹透镜，所述凹透镜的凹面朝向所述显示器。

4.如权利要求3所述的显示装置，其特征在于，所述凸透镜远离所述显示器的光学面为凸面，所述半透半反射膜镀于所述凸面上。

5.如权利要求3所述的显示装置，其特征在于，所述半透半反射膜镀于所述凹透镜的凹面上。

6.如权利要求4或5所述的显示装置，其特征在于，所述凸透镜和凹透镜的相对的光学面部分贴合，且所述凸透镜的正焦距的绝对值大于或小于凹透镜的负焦距的绝对值。

7.如权利要求4或5所述的显示装置，其特征在于，所述凸透镜和凹透镜的相对的光学面完全贴合，且所述凸透镜的正焦距的绝对值等于凹透镜的负焦距的绝对值。

8.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述显示器为透明显示器。

9.采用权利要求1至8任意一项权利要求所述的显示装置制成的头戴式设备。

10.如权利要求9所述的头戴式设备，其特征在于，包括一眼镜架，所述显示装置的显示器及复合镜片均设有两个，两个复合镜片分别固定在眼镜架的镜框中，两个显示器固定在所述镜框与人眼之间。