CN106444032A - 头戴式显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种头戴显示装置，包括：分光棱镜、第一散射板、第二散射板、第一分光镜及第二分光镜。待显示的图像光信息通过分光棱镜分化成第一光束和第二光束，第一光束通过第一散射板入射至第一分光镜，并由第一分光镜反射后进入到人的第一眼球。第二光束通过第二散射板入射至第二分光镜，并由第二分光镜反射后进入到人的第二眼球，以达到分屏显示及使用户双眼观察到的图像在时间和内容上具有一致性，以解决现有头戴显示装置利用两个屏幕所带来的高能耗和装置整体尺寸较大等问题。

Description

头戴式显示装置
技术领域
本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种增强现实的头戴显示装置。
背景技术
随着科技进步，电子器件运算能力在逐步提升，人们对电子系统和光学系统的追求正朝着微型化、便携化和高性能化方面发展，增强现实(Augmented Reality，AR)技术也正逐渐进入到人们的视线。增强现实技术与虚拟现时(Virtual Reality，VR)技术均属于头戴显示技术，在虚拟现实技术中，使用者看到的所有图形均由显示器提供，而在增强现实技术中，使用者观察到的图像为现实场景与虚拟信息所叠加形成的图像。增强现实技术实现了使用者与周边环境的互动性，让使用者在看到现实场景的同时看到其相关状态信息，增加了使用者对事物的认知，帮助使用者了解所看到的现实场景。
目前常见的增强现实系统中，多数采用双眼双通道供图模式。采用双屏幕的系统将增大系统的体积和功耗，特别是在野外应用时极为不便。因此，系统逐渐倾向于利用双眼共屏系统。但现有的双眼共屏系统中，均是在人眼上部中轴线位置处放置显示装置，双眼通过同一个曲面反射镜接收显示装置显示的图像。然而，该种光学系统的像差校正难度较大，并且很难做到左右眼视轴平行时观察到的图像重合。
现有技术“基于防毒面具的折反式头盔显示器的光学系统”(参见专利CN102928980 A)中公开了一种双通道、多透镜的离轴式头戴显示系统。该发明中的透镜数目多，需要依附头盔进行显示，所以其体积与重量均比较大。另外，该发明采用双眼双通道的显示方式，这也增加了产品体积与重量。
在另一现有技术“增强现实光学模块”(参见专利CN 104923777)中公开了一种增强现实光学系统模块，该模块设计也是单个投影对应单个显示。另外，该设计中需要采用偏振片，而偏振片影响外界事物的观察效果，从而影响增强现实系统的整体效果。
发明内容
为了解决的上述技术问题，本发明提供一种头戴显示装置，其能够实现单通道投影同时双屏显示，以解决现有技术双眼共屏系统中存在的人眼视轴不一致的问题。
为达上述目的，本发明所述的头戴式显示装置包括：分光棱镜、第一散射板、第二散射板、第一分光镜及第二分光镜；待显示的图像光信息通过所述分光棱镜分化成第一光束和第二光束，所述第一光束通过所述第一散射板入射至第一分光镜，并由第一分光镜反射后进入到人的第一眼球；所述第二光束通过所述第二散射板入射至第二分光镜，并由第二分光镜反射后进入到人的第二眼球，以达到分屏显示并使用户双眼观察到的图像在时间和内容上具有一致性。
进一步地，所述头戴显示装置还包括投影单元，所述投影单元将生成的图像光信息投射到所述分光棱镜。
进一步地，所述微投影单元能够进行预畸变处理，以使第一光束及第二光束在到达第一眼球及第二眼球时所成图像畸变为零。
进一步地，所述分光棱镜将入射的图像光信息光分为两部分，两部分分光束的能量比为1:1。
进一步地，所述第一散射板及第二散射板并列设置，且分别对应人的第一眼球及第二眼球。
进一步地，所述第一散射板及第二散射板可为透射式的，也可为反射式的。
进一步地，所述第一分光镜及第二分光镜为分体或连体。
进一步地，所述第一分光镜及第二分光镜并列设置在所述第一散射板及第二散射板出射光束的一侧，且分别对应第一散射板及第二散射板。
进一步地，所述第一分光镜及第二分光镜入射光束的一侧具有增透膜、出射光束的一侧具有分光膜。
进一步地，所述第一分光镜及第二分光镜入射光束的一侧具有分光膜、出射光束的一侧具有增透膜。
进一步地，所述第一分光镜及第二分光镜的面型为平面、球面、非球面或自由曲面其中的一种。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明通过分光棱镜的设置，可以产生两个在时间和内容上完全一致的图像供左右眼观看。能够有效克服单屏幕引起的双眼视轴差问题，能够克服重影问题，提高人眼的舒适度，降低疲劳感。
2、本发明的一个投影单元产生的两个图像与现有技术直接放置两个投影单元所产生的图像相比，在时间上没有延时。
3、本发明仅通过一个棱镜就可产生两个图像，相比于采用棱镜与反射镜组合的现有技术，减小了设备体积和所采用的器材数目，节约了制作成本。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明的头戴显示装置的原理图。
图2为本发明中所使用的棱镜结构示意图。
图3为本发明的投影单元所设计的图像预畸变示意图。
图4为本发明的佩戴效果图。
具体实施方式
为充分了解本发明的目的、特征及功效，现通过下述具体的实施例，并配合附图，对本发明做一详细说明如下：
如图1所示，本发明的头戴显示装置包括投影单元1、分光棱镜2、第一散射板5、第二散射板6、第一分光镜7及第二分光镜8。待显示的图像光信息由投影单元1发出，通过分光棱镜2分化成第一光束a和第二光束b，实现分屏显示。第一光束a通过第一散射板5入射至第一分光镜7，并由第一分光镜7反射后进入到人的第一眼球3。第二光束b通过第二散射板6入射至第二分光镜8，并由第二分光镜8反射后进入到人的第二眼球4。
本实施例中，投影单元1采用微型投影仪，其具有较高的亮度，能够在分屏后依然保证足够的亮度供人眼观察。
分光棱镜2采用普通的1：1分光棱镜，棱镜的主截面为四边形，其包括使图像光入射的第一侧面、分别连接在第一侧面两端的第二侧面及第四侧面、以及连接第二侧面与第四侧面的第三侧面。所述分光棱镜2内具有分光膜，该分光膜设置在垂直于主截面的平面上。
投影单元1发出的图像光信息光分由第一侧面入射至分光膜后一分为二，一部分直接穿过分光膜经由第三侧面出射而形成第一光束a。另一部分由分光膜反射经由第二侧面出射而形成第二光束b。两部分分光束的能量比为1:1，也可以根据系统需要设置为其他比例。
进一步地，如图3所示，四边形分光棱镜在不影响光线传播的情况下可截取为六边形分光棱镜，即将第一侧面与第二侧面所形成的夹角截掉，将第三侧面与第四侧面所形成的夹角截掉。使得第一侧面与第二侧面之间通过第五侧面连接、第三侧面与第四侧面之间通过第六侧面连接。以此进一步缩小体积，减轻头戴显示装置的重量。
第一散射板5和第二散射板6并列设置，且分别对应人的第一眼球3及第二眼球4。第一散射板5和第二散射板6可为投射式的也可为反射式的。由分光棱镜2射出的第一光束a通过第一散射板5入射至第一分光镜7，第二光束b通过第二散射板6入射至第二分光镜8。进一步地，如图2所示，第一散射板5和第二散射板6为具有散射膜的高反光铝板，能够在第一光束a和第二光束b照射时发生漫反射。调节投影单元1的焦距，使第一散射板5和第二散射板6上成清晰的像。
第一分光镜7及第二分光镜8并列设置在第一散射板5及第二散射板6出射光束的一侧，且分别对应第一散射板5及第二散射板6。第一分光镜7及第二分光镜8可以为分体或连体，其入射光束的一侧具有增透膜、出射光束的一侧具有分光膜，或入射光束的一侧具有分光膜、出射光束的一侧具有增透膜。分光膜的分光率由外界亮度而定，外界亮度高时分光膜的反射率高，外界亮度低时分光膜的反射率低，该反射率介于30％～70％之间。进一步地，第一分光镜7及第二分光镜8的材质为聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。第一光束a通过第一散射板5入射至第一分光镜7，并由第一分光镜7反射后进入人的第一眼球3；第二光束b通过第二散射板6入射至第二分光镜8，并由第二分光镜8反射后进入人的第二眼球4。本发明所呈现的影像在时间和像质方面具有高度的一致性。
进一步地，由于本发明的第一分光镜7及第二分光镜8为平面、球面、非球面或自由曲面其中的一种，会使所呈现的影像产生一定的畸变，该畸变很难通过光学系统进行矫正。因此，如图4所示，本发明的投影单元1在投射光束时会做预畸变处理，使投影单元1在第一散射板5和第二散射板6上所成的像分别如第一图像14、第二图像15所示。预畸变处理之后的第一光束a及第二光束b在到达人眼时，其所成图像的畸变为零，达到了如显示图像16所示的图像零畸变效果。
可以理解为，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种头戴式显示装置，其特征在于，包括：分光棱镜(2)、第一散射板(5)、第二散射板(6)、第一分光镜(7)及第二分光镜(8)；待显示的图像光信息通过所述分光棱镜(2)分化成第一光束(a)和第二光束(b)，所述第一光束(a)通过所述第一散射板(5)入射至第一分光镜(7)，并由第一分光镜(7)反射后进入到人的第一眼球(3)；所述第二光束(b)通过所述第二散射板(6)入射至第二分光镜(8)，并由第二分光镜(8)反射后进入到人的第二眼球(4)，以达到分屏显示并使用户双眼观察到的图像在时间和内容上具有一致性。
2.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，还包括投影单元(1)，所述投影单元(1)将生成的图像光信息投射到所述分光棱镜(2)。
3.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述微投影单元(1)能够进行预畸变处理，以使第一光束(a)及第二光束(b)在到达第一眼球(3)及第二眼球(4)时所成图像畸变为零。
4.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一散射板(5)及第二散射板(6)并列设置，且分别对应人的第一眼球(3)及第二眼球(4)。
5.如权利要求1或4所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一散射板及第二散射板为透射式或反射式。
6.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一分光镜(7)及第二分光镜(8)为分体或连体。
7.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一分光镜(7)及第二分光镜(8)并列设置在所述第一散射板(5)及第二散射板(6)出射光束的一侧，且分别对应第一散射板(5)及第二散射板(6)。
8.如权利要求1、6或7所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一分光镜(7)及第二分光镜(8)入射光束的一侧具有分光膜、出射光束的一侧具有增透膜。
9.如权利要求1、6或7所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一分光镜(7)及第二分光镜(8)入射光束的一侧具有增透膜、出射光束的一侧具有分光膜。
10.如权利要求1、6或7所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一分光镜(7)及第二分光镜(8)的面型为平面、球面、非球面或自由曲面其中的一种。
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