CN107111143B - 视觉系统及观片器 - Google Patents

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Abstract

一种视觉系统(11)，用于观看立体图像，所述视觉系统包括两块显示屏(1、2)、半反半透光学元件(3)、两偏光光学元件(4、5)和两放大光学元件(6、7)；所述两偏光光学元件与所述两放大光学元件同轴；所述两偏光光学元件的偏振方向互相垂直；所述两块显示屏角度呈锐角；其中一块显示屏与偏光镜平行，另一块显示屏置于偏光镜之上；所述半反半透光学元件位于所述两块显示屏中间，并且与所述两块显示屏的夹角相等。本发明还提供一种包括所述视觉系统的观片器(100)。

Description

视觉系统及观片器
技术领域
本发明涉及一种视觉系统，尤其涉及一种适用于观片器的视觉系统及使用该视觉系统的头戴式立体观片器。
背景技术
虚拟现实技术(Virtual Reality Technology,简称VRT)是计算机图形学、人机接口技术、传感器技术以及人工智能技术等交叉与综合的结果。以虚拟现实技术为代表的新型人机交互技术旨在探索自然和谐的人机关系，使人机界面从以视觉感知为主发展到包括视觉、听觉、触觉、力觉、嗅觉和动觉等多种感觉通道感知；从以手动输入为主发展到包括语音、手势、姿势和视线等多种效应通道输入，使用户身临其境地感知虚拟环境中的物体。
观片器是一种能够方便观看放大后的幻灯片的辅助设备。头戴式显示器是一种被广泛应用于各个领域的大画面便携式高沉浸感立体图像现实设备。
当前3D技术蓬勃发展，被主流应用于模拟训练、3D游戏、远程医疗和手术，或者是利用红外、显微镜、电子显微镜来扩展人眼的视觉能力等等各个领域。能够让人真实的体验到立体视觉带来的巨大冲击和极致震撼。立体显示应用科技技术手段还原了人类真实的三维世界，将引领未来视像科技的发展趋势。立体感强否是衡量立体显示产品的一项重要指标。
a、传统的观片器为防止使用者看到多余图像而影响立体显示的质量，在放大透镜后设置孔径光栏，由于孔径光阑会限制入射光束大小，因此限制了用户的视场，且孔径光阑通常设置在放大透镜的焦点处，导致结构复杂，系统总长较长，不能满足用户对于便携性的要求。多功能的小型化电子显示设备虽然能为用户带来方便，但“便携式”“小型化”同时也限制了显示屏的尺寸，而较小的显示屏又容易造成用户的眼部疲劳。
b、某些光学系统观片器对液晶显示屏的放置方式有特殊的要求，导致结构复杂、系统总长较长、光学系统体积过大的问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种改进的视觉系统及观片器。
一种视觉系统，用于观看立体图像，所述视觉系统包括两块显示屏、半反半透光学元件、两偏光光学元件和两放大光学元件；所述两偏光光学元件与所述两放大光学元件同轴；所述两偏光光学元件的偏振方向互相垂直；所述两块显示屏彼此边沿交互连接，角度呈锐角；其中一块显示屏与偏光镜平行，另一块显示屏置于偏光镜之上；所述半反半透光学元件位于所述两块显示屏中间，并且与所述两块显示屏的夹角相等。
一种观片器，其特征在于：所述观片器包括用于显示立体图像的视觉系统，其特征在于：所述视觉系统包括两块显示屏、半反半透光学元件、两偏光光学元件和两放大光学元件；所述两偏光光学元件与所述两放大光学元件同轴；所述两偏光光学元件的偏振方向互相垂直；所述两块显示屏彼此边沿交互连接，角度呈锐角；其中一块显示屏与偏光镜平行，另一块显示屏置于偏光镜之上；所述半反半透光学元件位于所述两块显示屏中间，并且与所述两块显示屏的夹角相等。
上述视觉系统及观片器克服了传统观片器孔径光阑对视场角的限制，增大了视场。此外，所述两块显示屏角度呈锐角设置，可减少系统总长，减小光学系统体积。
附图说明
图1是本发明实施方式提供的一种观片器的俯视图。
图2是本发明实施方式提供的一种观片器的侧视图。
图3是本发明实施方式提供的通信结构示意图。
主要元件符号说明
头戴式立体观片器 100
支架 10
视觉系统 11
第一显示屏 1
第二显示屏 2
半透半反光学元件 3
第一偏振光学元件 4
第二偏振光学元件 5
第一放大光学元件 6
第二放大光学元件 7
孔 8、9
电子设备 200
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1及图2所示，头戴式立体观片器100包括能够佩戴于头上的支架10及设置在支架10上的视觉系统11。所述支架10具有外壳。所述视觉系统11包括两显示屏(第一显示屏1和第二显示屏2)，半反半透光学元件3，两偏振光学元件(第一偏振光学元件4与第二偏振光学元件5)以及两光学放大元件(第一光学放大元件6和第二光学放大元件7)。
所述两显示屏1、2设置在远离用户眼睛一端，所述两光学放大元件6、7设置在近眼端，以使用者的鼻梁部位为中心线呈左右对称分布，分别对应于用户的左右眼。所述两偏振光学元件4、5分别对应于所述两光学放大元件设置，且分别与所述两光学放大元件6、7同轴，例如，所述第一偏振光学元件4与所述第一光学放大元件6同轴，而所述第二偏振光学元件5与所述第二光学放大元件7同轴。所述两偏振光学元件4、5设置在所述两显示屏1、2与所述两光学放大元件6、7之间，具体地，所述第一偏振光学元件4设置在所述第一显示屏1和第一光学放大元件6之间，而所述第二偏振光学元件5设置在第二显示屏2和第二光学放大元件7之间。
所述外壳采用不透光材料制成，该外壳朝向人眼的一面上开有两个孔8、9，所述两个孔8、9分别与所述两个光学放大元件6、7相对应，且被两光学放大元件6、7所遮挡。所述第一显示屏1和所述第二显示屏2分别设置在所述外壳的两个相邻的内侧壁上。例如，所述外壳包括两个相邻设置的第一内侧壁和第二内侧壁。所述第一显示屏1和所述第二显示屏2分别设置在所述第一内侧壁和所述第二内侧壁上。
所述第一显示屏1和第二显示屏2均可为，但不限于，液晶显示屏(liquid crystaldisplay，LCD)、发光二级管显示屏(light-emitting diode，LED)、有机发光二级管显示屏OLED。
所述第一显示屏1和第二显示屏2，分别显示左右眼图像信息，第一显示屏1用于显示右眼图像，第二显示屏用于显示左眼图像。在一些实施例中，所述的两块显示屏分别为水平线偏振屏和垂直线偏振屏。所述第一显示屏1和第二显示屏2可呈锐角设置，角度范围可为75度至89度之间的任意角度，例如85度左右。采用呈锐角设置的双显示屏解决了传统观片器为保证立体效果而设置的孔径光阑对于视场角的约束，增大了可视范围。且呈锐角设置，相较垂直设置可减少系统总长，减小光学系统体积。
在一些实施例中，所述第一显示屏1与所述第二显示屏2之间可以有一定的交叠部分，以达到扩大视场角的目的。交叠面积的大小根据实际需要确定，确保对立体成像效果没有影响即可。
所述半反半透元件3位于所述第一显示屏1与所述第二显示屏2之间，所述半反半透元件3的一边靠近所述第一显示屏1与所述第二显示屏2的交接处且与二者的夹角相等。由菲涅尔公式可知电矢量E在界面上传播时p光和s光在反射和折射中的方向改变。所述第一显示屏1辐射出的光线经半反半透元件3折射后经过第二偏振光学元件5，再经过第一光学放大元件6到达人眼。而所述第二显示屏2辐射出的光线则经半反半透元件3反射经过第一偏振光学元件4，然后再经过第二光学放大元件7到达人眼。
在一些实施例中，所述半反半透元件3可为矩形或梯形形状，当为梯形形状时，可减少镜片面积，降低镀膜成本；减少光学部分体积，提供更多的通风散热空间。
所述第一光学放大元件6和第二光学放大元件7，用于放大图像，本实施例中只含有一组放大透镜，减少图像因光学系统产生的相差，使图像更为真实清晰。在其他实施例中，也可不限于一组，例如两组或多组。
所述两偏光光学元件4、5用于形成立体视觉。所述两偏光光学元件4、5的偏振方向互相垂直，所述第一显示屏1和所述第二显示屏2的图像信号通过半反半透光学元件3形成相位差，通过第一、第二偏振光学元件4、5的调制和第一、第二光学放大元件6、7的放大最终投射于使用者的视网膜形成立体影像。
在一些实施例中，所述半反半透光学元件3可以是可透可反平面镜，例如P偏振可透s偏振可反平面镜或p偏振可反s偏振可透平面镜。
在一些实施例中，所述头戴式立体视觉观片器100为头盔形状，所述头盔支架10能够根据佩戴者头部的大小调节松紧程度。在一些实施例中，所述头戴式立体视觉观片器100也可为其他头戴式设备形状，例如眼镜，所述头戴式设备支架10能够根据佩戴者头部的大小调节松紧程度。
在一些实施例中，所述两光学放大元件6、7与所述两偏光光学元件4、5可调换位置顺序，即所述两偏光光学元件4、5放置在所述两光学放大元件6、7的近眼端，所述两光学放大元件6、7设置在所述两偏光光学元件4、5与所述两显示屏1、2之间。但是，当两偏光光学元件4、5放置在所述两光学放大元件6、7的近眼端时，两显示屏1、2屏的光线照射在两光学放大元件6、7上，两光学放大元件6、7会在半透半反镜上成像，并被人眼看到，严重影响视觉效果，为了消除该影响，所述两光学放大元件6、7需要渡抗反射膜，而镀膜会改变光的偏振方向，如两偏光光学元件4、5放置在所述两光学放大元件6、7的近眼端则无法过滤或遮挡所需的光线，影响正常观看。因此，所述两偏光光学元件4、5优选地放置在所述两光学放大元件6、7的远眼端。
参图3所示，在一些实施例中，所述头戴式立体观影器100还可以包括外设连接电路，所述外设连接电路通过有线或无线方式，将所述头戴式立体观影器100与具有播放功能的电子设备200连接，获取待显示的信息。考虑到便携式的需要，本发明的所述头戴式立体观影器100自身不携带电源，采用数据线连接至具有播放功能的电子装置，获取待显示的信息的同时，由外部电子设备为头戴式立体观影器的双显示屏供电。如果允许所述头戴式立体观影器100具有稍大的体积，也可以设置电池仓，由电池为头戴式显示装置供电。
优选的，在一些实施例中，所述头戴式立体观片器100还可以包括屈光度调节器(附图未示出)，所述屈光度调节器安装于所述两光学放大元件的近眼端(例如所述外壳10与所述两光学放大元件之间)，所述屈光度调节器可使屈光度在一定范围内可调节，以适应屈光度在此范围内的使用者在不佩戴眼镜的情况下可以正常的使用此头戴式立体观片器100。
优选的，在一些实施例中，所述头戴式立体观片器100还可以设置一距离调节机构，该调节机构可以为齿轮机构，用于调节两光学组件之间(例如：两偏光光学元件之间、两光学放大元件之间)的距离，以适应具有不同瞳距的使用者。
优选的，在一些实施例中，所述头戴式立体观片器100还可以设计为连接有一焦距调节机构(附图未示出)，用于调节两光学组件(例如：两偏光光学元件、两光学放大元件)的焦距，以适应不同像素密度的视频经光学系统放大后的画质。在一些实施例中，所述头戴式立体观片器100内的两组光学组件可以各自连接一焦距调节机构，用以分别调节两个光学组件的焦距；也可以两组光学组件共连一个焦距调节机构实现联调。当每组光学组件由两个及以上的光学元件组成时，所述焦距调节机构可以为齿轮调节机构，齿轮调节机构将旋转运动转化为光学元件的直线运动，通过改变光学元件之间的距离来改变光学系统的焦距；而当每组光学组件仅由一个光学元件组成时，只有该光学元件具有焦距可调特性，才可以使用焦距调节机构来进行焦距调节，例如：液体透镜，焦距调节机构向液体透镜外加电压或通过机械力改变液体形状，实现焦距调节。由于焦距调节比较专业，本焦距调节机构可设计为档位调节，普通使用者按档位调节可好确保显示效果。
本发明的优点在于采用半反半透光学元件及偏振光学元件，将左右眼图像分开来，保证了立体显示效果，由于未采用孔径光阑，克服了传统观片器孔径光阑对视场角的限制，增大了视场；且不需要考虑孔径光阑设置位置，设计简洁，系统总长减小，符合小型便携要求。此外，两块显示屏呈锐角设置，进一步减小了系统总长，从而减小了视觉系统体积，符合小型便携要求。
另外，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (25)

1.一种视觉系统，设置于头戴式立体观片器上，用于观看立体图像，其特征在于：所述视觉系统包括水平线偏振屏、垂直线偏振屏、半反半透光学元件、第一偏光光学元件、第二偏光光学元件、第一放大光学元件和第二放大光学元件；所述第一偏光光学元件与所述第一放大光学元件同轴，所述第二偏光光学元件与所述第二放大光学元件同轴；所述第一偏光光学元件与所述第二偏光光学元件的偏振方向互相垂直；所述水平线偏振屏与所述垂直线偏振屏的夹角呈75°至89°之间的锐角；其中水平线偏振屏与偏光镜平行，垂直线偏振屏置于偏光镜之上；所述半反半透光学元件位于所述水平线偏振屏与所述垂直线偏振屏中间，并且与所述水平线偏振屏和垂直线偏振屏的夹角相等；所述半反半透光学元件为梯形形状。
2.如权利要求1所述的视觉系统，其特征在于：所述第一放大光学元件与所述第二放大光学元件并排放置于人眼的前方；所述第一偏光光学元件与所述第二偏光光学元件分别放置于所述第一放大光学元件与所述第二放大光学元件远离人眼的一方。
3.如权利要求1所述的视觉系统，其特征在于：所述视觉系统采用无线方式连接至具有播放功能的电子装置，获取待显示的信息。
4.如权利要求1所述的视觉系统，其特征在于：所述视觉系统采用数据线连接至具有播放功能的电子装置，获取待显示的信息。
5.如权利要求4所述的视觉系统，其特征在于：所述视觉系统通过所述数据线从所述电子装置获取电源。
6.如权利要求1所述的视觉系统，其特征在于：所述水平线偏振屏与所述垂直线偏振屏错位设置，且二者之间有一定的交叠部分。
7.如权利要求1所述的视觉系统，其特征在于：所述半反半透光学元件为偏振式反射镜或半反半透玻璃。
8.如权利要求1所述的视觉系统，其特征在于：所述半反半透光学元件为P偏振可透S偏振可反平面镜或P偏振可反S偏振可透平面镜。
9.如权利要求1所述的视觉系统，其特征在于：所述视觉系统还设置一距离调节机构，该调节机构用于调节所述第一偏光光学元件与所述第二偏光光学元件之间或所述第一放大光学元件与所述第二放大光学元件之间的距离，以适应具有不同瞳距的使用者。
10.如权利要求1所述的视觉系统，其特征在于：所述视觉系统还设置焦距调节机构，所述光学调节机构用于调节所述第一偏光光学元件与所述第二偏光光学元件或所述第一放大光学元件与所述第二放大光学元件的焦距。
11.如权利要求1所述的视觉系统，其特征在于：所述视觉系统还包括屈光度调节器，所述屈光度调节器安装于所述第一放大光学元件与所述第二放大光学元件的近眼端。
12.一种观片器，其特征在于：所述观片器包括能够佩戴于头上的支架及设置在所述支架上用于显示立体图像的视觉系统，其特征在于：所述视觉系统包括水平线偏振屏、垂直线偏振屏、半反半透光学元件、第一偏光光学元件、第二偏光光学元件、第一放大光学元件和第二放大光学元件；所述第一偏光光学元件与所述第一放大光学元件同轴，所述第二偏光光学元件与所述第二放大光学元件同轴；所述第一偏光光学元件与所述第二偏光光学元件的偏振方向互相垂直；所述水平线偏振屏与所述垂直线偏振屏的夹角呈锐角，角度范围为75°至89°之间的任意角度；其中水平线偏振屏与偏光镜平行，垂直线偏振屏置于偏光镜之上；所述半反半透光学元件位于所述水平线偏振屏与所述垂直线偏振屏中间，并且与所述水平线偏振屏和所述垂直线偏振屏的夹角相等；所述半反半透光学元件为梯形形状。
13.如权利要求12所述的观片器，其特征在于：所述观片器为头盔，所述支架能够根据佩戴者头部的大小调节松紧程度。
14.如权利要求12所述的观片器，其特征在于：所述观片器还包括一个用不透光材料制成的外壳，该外壳朝向人眼的一面上开有两个孔，所述两个孔分别对应于所述第一放大光学元件与所述第二放大光学元件，并被所述第一放大光学元件与所述第二放大光学元件所遮挡。
15.如权利要求12所述的观片器，其特征在于：所述第一放大光学元件与所述第二放大光学元件并排放置于人眼的前方；所述第一偏光光学元件与所述第二偏光光学元件分别放置于所述第一放大光学元件与所述第二放大光学元件远离人眼的一方。
16.如权利要求12所述的观片器，其特征在于：所述视觉系统采用无线方式连接至具有播放功能的电子装置，获取待显示的信息。
17.如权利要求12所述的观片器，其特征在于：所述视觉系统采用数据线连接至具有播放功能的电子装置，获取待显示的信息。
18.如权利要求17所述的观片器，其特征在于：所述视觉系统通过所述数据线从所述电子装置获取电源。
19.如权利要求12所述的观片器，其特征在于：所述水平线偏振屏与所述垂直线偏振屏错位设置，且二者之间有一定的交叠部分。
20.如权利要求12所述的观片器，其特征在于：所述半反半透光学元件为偏振式反射镜或半反半透玻璃。
21.如权利要求12所述的观片器，其特征在于：所述半反半透光学元件为P偏振可透S偏振可反平面镜或P偏振可反S偏振可透平面镜。
22.如权利要求12所述的观片器，其特征在于：所述视觉系统还设置一距离调节机构，该调节机构用于调节所述第一偏光光学元件与所述第二偏光光学元件之间或所述第一放大光学元件与所述第二放大光学元件之间的距离，以适应具有不同瞳距的使用者。
23.如权利要求22所述的观片器，其特征在于：所述距离调节机构为齿轮机构。
24.如权利要求12所述的观片器，其特征在于：所述视觉系统还设置焦距调节机构，所述光学调节机构用于调节所述第一偏光光学元件与所述第二偏光光学元件或所述第一放大光学元件与所述第二放大光学元件的焦距。
25.如权利要求12所述的观片器，其特征在于：所述视觉系统还包括屈光度调节器，所述屈光度调节器安装于所述第一放大光学元件与所述第二放大光学元件的近眼端。
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