CN109073906B - 穿戴显示设备和无人机系统 - Google Patents

Abstract

一种穿戴显示设备(100)和无人机系统(200)。穿戴显示设备(100)的光学元件(30,06)的表面指定部分被执行用于引起漫反射的粗糙处理，即使在光学元件(30,06)的前表面透射向光学元件(30,06)后表面的光线的入射角接近全反射角，但因为光学元件(30,06)的后表面执行了粗糙处理，光线在执行了粗糙处理的表面发生漫反射，漫反射不会形成一个清晰的重影的像，避免了发生重影。进一步地，因为光学元件(30,06)表面执行的粗糙处理，会阻挡一部分从第二屏幕(20)入射至第一目镜(40)的光、从第一屏幕(10)入射至第二目镜(50)的光，彻底消除第二屏幕(20)、第一屏幕(10)的残影。

Description

穿戴显示设备和无人机系统

技术领域

本发明涉及虚拟现实领域，尤其涉及穿戴显示设备和无人机系统。

背景技术

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真以使用户沉浸到该环境中。

随着虚拟现实技术的发展，目前出现了很多应用于虚拟现实的穿戴显示设备。但是，这些穿戴显示设备因为其中的光学元件多次反射不可避免出现重影，影响图像显示效果。

发明内容

本发明提供穿戴显示设备和无人机系统，以避免重影，并消除残影。

本发明提供的技术方案包括：

一种穿戴显示设备，包括：呈角度设置的第一屏幕和第二屏幕、与所述第一屏幕对应的第一目镜、以及与所述第二屏幕对应的第二目镜，其关键在于，所述设备还包括：一机身、以及设置在所述第一屏幕与所述第二屏幕之间的光学元件；

所述光学元件的表面指定部分被执行用于引起漫反射的粗糙处理，以使射向所述指定部分的光发生漫反射；

所述机身承载了所述第一屏幕、所述第二屏幕、所述光学元件、所述第一目镜、及所述第二目镜。

一种无人机系统，其包括：穿戴显示设备及无人飞行器，所述无人飞行器包括用于以无人飞行器第一视角拍摄画面的摄像模块，所述摄像模块通信连接于所述穿戴显示设备，所述穿戴显示设备包括如上述的穿戴显示设备。

由以上本发明实施例提供的技术方案可见，即使在光学元件的前表面透射向光学元件后表面的光线的入射角接近全反射角，但因为光学元件的后表面执行了粗糙处理，光线在执行了粗糙处理的表面发生漫反射，漫反射不会形成一个清晰的重影的像，避免了发生重影。

进一步地，因为光学元件表面执行的粗糙处理，会阻挡一部分从第二屏幕入射至第一目镜的光、从第一屏幕入射至第二目镜的光，彻底消除第二屏幕、第一屏幕的残影。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种无人机系统200的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的穿戴显示设备100的结构示意图；

图3为本发明提供的第一屏幕发出的光线入射至光学元件的光路图；

图4为本发明提供的第二屏幕发出的光线入射至光学元件的光路图；

图5为本发明提供的另一穿戴显示设备300的结构示意图；

图6为本发明第五实施例提供的穿戴显示设备结构图；

图7为本发明第五实施例提供的光学元件进行粗糙处理的指定部分结构示意图；

图8为本发明第五实施例提供的光学元件进行粗糙处理的指定部分另一结构示意图；

图9为本发明第五实施例提供的穿戴显示设备的原理示意图。

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。另外，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

第一实施例：

参见图1，图1为本发明一实施例提供的一种无人机系统200的结构示意图。无人机系统200包括穿戴显示设备100，及无人飞行器110，该无人飞行器110上设置有用于以无人飞行器第一视角拍摄画面的摄像模块(图未示)。图1中以四旋翼飞行器对无人飞行器110进行示例，可理解的是，无人飞行器110也可以是除四旋翼飞行器以外的其他无人飞行器。摄像模块通信连接于穿戴显示设备100。穿戴显示设备100包括：第一屏幕10、第二屏幕20、光学元件30、第一目镜40、第二目镜50、第一遮光件60与第二遮光件70。图2示出了穿戴显示设备100的结构(图2中因第二遮光件70设置在第二屏幕20的背离光学元件30的表面而未示出)。

在本实施方式中，摄像模块用于以无人飞行器第一视角拍摄画面，并将图像数据发送给穿戴显示设备100。第一屏幕10与第二屏幕20可以用于呈现所述摄像模块拍摄的画面。

在本实施方式中，第一屏幕10与第二屏幕20可以为OLED显示屏、等离子显示器或液晶显示器等中。第一屏幕10与第二屏幕20各自连接一音视频播放装置或者连接于同一音视频播放装置，也即第一屏幕10与第二屏幕20可以呈现相同的音视频，也可以呈现不同的音视频。

在本实施方式中，第一屏幕10与第二屏幕20呈预定角度设置。

作为一个实施例，第一屏幕10与第二屏幕20可垂直设置。图1以第一屏幕10与第二屏幕20垂直设置举例示意。如图1所示，第一屏幕10位于水平方向，第二屏幕20位于竖直方向。需要说明的是，第一屏幕10、第二屏幕20的位置也可互换，比如，第一屏幕10位于竖直方向，第二屏幕20位于水平方向。

在本实施方式中，光学元件30可实现光线的部分透射部分反射。作为一个实施例，光学元件30朝向第一屏幕10的平面上镀设有半透半反膜，以实现光线的部分透射部分反射。光学元件30具体实现时可为半透半反镜片，或者其他实现光线的部分透射部分反射的光学元件等，本发明并不具体限定。

在本实施方式中，光学元件30设有的上述半透半反膜(图1未示)，用于在光线通过时，使反射光的P分量(平行于入射面)和S分量(垂直于入射面)的相位差接近0°或接近180°，或透射光的P分量和S分量的相位差接近0°或接近180°，从而消除由于光线的偏振使本该进入一个目镜的图像被另一个目镜接收到而造成的影像残影现象。

在本实施方式中，光学元件30设置在第一屏幕10与第二屏幕20之间。图1以光学元件30设置在第一屏幕10与第二屏幕20的角平分线的位置为例示意。

在本实施方式中，光学元件30朝向第二屏幕20的平面上镀设有增透膜32，增透膜32用于消除因光线在所述光学元件30中的多次反射或者多次透射导致的重影。在本实施方式中，增透膜32和半透半反膜在光学元件30的位置可以更换。

在本实施方式中，增透膜32的厚度随着第一屏幕10或者第二屏幕20发出并入射至所述光学元件30的入射光线与所述光学元件30之间形成的入射角θ的变化而变化。

理想状态下，增透膜的厚度是λ/4n(n为折射率，λ为波长)便可以使增透膜的上下两个表面的反射光产生相消干涉，但是λ/4n这样一个厚度是针对某种色光垂直入射至增透膜的情况，实际情况下，如图1所示，从第一屏幕10或者第二屏幕20入射至增透膜32的入射光线41与增透膜32之间形成的入射角是介于0度～90度之间的一个数值，所以，要想使该些不垂直于增透膜32表面的入射光线在增透膜32的上下两个表面的反射光线产生相消干涉，则需要设计镀设在所述光学元件30表面的增透膜32的厚度及材料，使增透膜32的厚度随着第一屏幕10或者第二屏幕20二者之一出射的光线与所述光学元件30之间形成的入射角的变化而变化，使不同的入射角对应不同厚度的增透膜32，进而使每一个入射光线在增透膜32的上下两个表面产生的反射光线相消干涉，从而减少甚至消除光学元件30与增透膜32之间界面的反射光，而解决穿戴显示设备100的残影现象。

从图1所示的侧视图中可以看出，从第一屏幕10竖直出射的那根入射光线与光学元件30形成的入射角是45度，其它两根入射光线与光学元件30形成的入射角大于45度，入射角越大，在增透膜32中传输时，光程差(nλ)就越大，所以，为了弥补光程差，在入射角大的位置镀较薄的增透膜，在入射角较小的位置镀较厚的增透膜32。

在本实施方式中，第一目镜40设置在第一屏幕10的出射光线经过光学元件30反射之后的出光光路上，第二目镜50设置在第二屏幕20的出射光线经过光学元件30透射之后的出光光路上。第一目镜40及第二目镜50在靠近光学元件30的表面上分别设置有偏振片401，偏振片401可以旋转，偏振片401经旋转调整后用于接收入射至其表面的线偏振光而过滤掉其他方向的偏振光。偏振片401是为了使第一目镜40只接受第一屏幕10的线偏振光，第二目镜50只接受第二屏幕20的线偏振光。在另一实施方式中，也可以在第一目镜40及第二目镜50靠近光学元件30的表面上分别设置波片，波片用于使入射至波片的光线产生反向的相位差，以消减残留影像。

在本实施方式中，第一遮光件60设置在第一屏幕10的背离光学元件30的表面，第二遮光件70设置在第二屏幕20的背离光学元件30的表面，第一遮光件60及第二遮光件70分别用于阻挡外界环境的光线投射到第一屏幕10和第二屏幕20上。作为一个实施例，遮光件可为透光率可调件。

至此，完成图1所示无人机系统200、以及无人机系统200中穿戴显示设备100的结构描述。

应用于第一实施例，下面描述穿戴显示设备100的工作原理。当然，本发明中的穿戴显示设备100并不局限于应用在无人机系统内。

参见图3，图3为本发明提供的第一屏幕发出的光线入射至光学元件的光路图。如图3所示，第一屏幕10出射的光线先入射至光学元件30形成入射光线41，入射光线41在光学元件30表面发生反射及折射，得到反射光线43及折射光线42。折射光线42在增透膜32的第二表面321反射及折射，得到反射光线44及折射光线45。折射光线45在增透膜32的第一表面320发生反射与折射，得到反射光线47及折射光线46，增透膜32第二表面321的反射光线44与第一表面320的反射光线47发生干涉相消，就剩下反射光线43及折射光线46，反射光线43被第一目镜40接收，折射光线从光学元件30中出射而不被利用。如此，第一目镜40就接收到反射光线43，而避免了发生重影。

再参见图4，图4为本发明提供的第二屏幕发出的光线入射至光学元件的光路图。如图4所示，第二屏幕20发出的光线先入射至增透膜32形成入射光线51，入射光线51在增透膜32的第一表面320发生反射及折射，得到折射光线52及反射光线53，折射光线52在增透膜32的第二表面321发生反射及折射，得到反射光线54及折射光线56，折射光线56在光学元件30的表面发生反射及折射，得到反射光线57及折射光线58，反射光线57在光学元件30与增透膜32接触的表面321再次发生反射与折射，得到反射光线61及折射光线59，折射光线59在第一表面320处发生反射，得到反射光线62，由于第二目镜50位于与第二屏幕20相对侧，所以第二目镜50只能接收从光学元件30透射出去的光线，从而，从第一表面320出射的光线，譬如反射光线53就不会被第二目镜50接收，这部分光线将不被利用。在增透膜32第一表面320及第二表面321上产生的反射光线61、62发生干涉相消，从而，第二目镜50只接收折射光线58，而避免了进入眼睛的图像发生重影。

至此，完成第一实施例的描述。

第二实施例：

第二实施例与第一实施例基本相同，其不同之处在于，第二实施例的穿戴显示设备300不包括第一遮光件60与第二遮光件70，而是包括一个固定框90。图5示出了穿戴显示设备300的结构。

固定框90包括平行相对的第一边框91与第二边框92以及垂直连接第一边框91与第二边框92的第三边框93，第一屏幕10设置在第一边框91的内壁，第二屏幕20设置在第三边框93的内壁，光学元件30设置在第一边框91与第三边框93所形成的角平分线的位置且抵靠在第二边框92。观众佩戴穿戴显示设备300时，可以为观众呈现具立体效果的视频图像。

至此，完成第二实施例的描述。

第三实施例：

第三实施例与第一实施例基本相同，其不同之处在于，将光学元件30的表面从靠近第一屏幕10到远离第一屏幕10分为多个区域，每个区域的面积可以相等也可以不等，使每个区域镀设同一个厚度的增透膜32，从而使增透膜32的厚度呈现梯度变化。

至此，完成第三实施例的描述。

第四实施例：

第四实施例与第一实施例基本相同，其不同之处在于，将光学元件30的表面从靠近第一屏幕10到远离第一屏幕10分为多个区域，每个区域镀设同一个厚度的增透膜32。使增透膜32的厚度呈现渐变变化。

至此，完成第四实施例的描述。

综上所述，本发明提供的穿戴显示设备比如上述的穿戴显示设备100、300，通过在光学元件30其中一个表面镀设增透膜32，利用增透膜32将入射至增透膜32第一表面320、第二表面321的反射光线相干涉抵消，使第一目镜40仅接收反射光线，第二目镜50接收从光学元件30中透射的折射光线，解决了穿戴显示设备在穿戴时所造成的重影现象，使穿戴显示设备在观看图像时图像更为真实、清楚。

在实际应用中，光学元件30增透膜的透过率不可能达到100％，并且，第一屏幕发出的射向光学元件30的后表面的入射角接近全反射角，反射率会显著增高，单纯地依赖增透膜并不能完全消除重影，第一目镜40的重影相比第二目镜50会很严重。

进一步地，如上描述，即使第一目镜40及第二目镜50在靠近光学元件30的表面上分别设置有偏振片401，以接收入射至其表面的线偏振光而过滤掉其他方向的偏振光，但是，其无法完全消除一个面型偏振光，经常会出现第一目镜40看到第二屏幕20的残影，以及第二目镜50看到第一屏幕10的残影。

基于此，本发明还提供了另一种穿戴显示设备。具体参见第五实施例。第五实施例：

参见图6，图6为本发明第五实施例提供的穿戴显示设备结构图。如图6所示的穿戴显示设备可包括：呈角度设置的第一屏幕10和第二屏幕20、与第一屏幕10对应的第一目镜40、以及与第二屏幕20对应的第二目镜50。其中，第一屏幕10、第二屏幕20、第一目镜40、第二目镜50均如第一实施例描述描述，这里暂不赘述。

其关键在于，本实施方式中，穿戴显示设备还包括：一机身600、以及设置在第一屏幕10与第二屏幕20之间的光学元件06。

本实施方式中的光学元件06不同于上述第一实施例中的光学元件30。本实施方式中的光学元件06的表面指定部分被执行用于引起漫反射的粗糙处理，以使射向指定部分的光发生漫反射。

本实施方式中的机身600承载了第一屏幕10、第二屏幕20、光学元件06、第一目镜40、及第二目镜50。

作为一个实施例，本实施方式中的光学元件06可为：上述光学元件30在设有增透膜的表面的指定部分被执行用于引起漫反射的粗糙处理后得到的。这里之所以对指定部分进行粗糙处理，目的是使射向指定部分的光发生漫反射。

作为一个实施例，第一屏幕10、第二屏幕20相互垂直。

作为一个实施例，第一屏幕10位于水平方向，第二屏幕20位于竖直方向。光学元件06上进行粗糙处理的指定部分位于光学元件06朝向第二屏幕20的表面上除第二屏幕成像区域之外的区域。图7举例示出了进行粗糙处理的指定部分。具体地，作为一个实施例，光学元件06上进行粗糙处理的指定部分可为：位于光学元件06朝向第二屏幕20的表面上除第二屏幕成像区域之外且属于第一屏幕成像区域的区域。图8示出了进行粗糙处理的指定部分。

作为另一个实施例，第一屏幕10位于竖直方向，第二屏幕20位于水平方向。光学元件06上进行粗糙处理的指定部分位于光学元件06朝向第一屏幕10的表面上除第一屏幕成像区域之外的区域，这类似上述的图7，不再通过附图示意。具体地，作为一个实施例，光学元件06上进行粗糙处理的指定部分可为：位于所述光学元件朝向第一屏幕的表面上除第一屏幕成像区域之外的部分且属于第二屏幕成像区域的区域。这类似上述的图8，不再通过附图示意。

下面描述图6所示的穿戴显示设备的原理：

参见图9，图9为本发明提供的穿戴显示设备的原理图。如图9所示，第一屏幕10出射的光线先入射至光学元件06形成入射光线41，入射光线41在光学元件06表面发生反射及折射，得到反射光线43及折射光线42。折射光线42在设有增透膜的第二表面321反射及折射，得到反射光线44及折射光线45。即使折射光线45射向增透膜32的第一表面320的入射角接近全反射角，但因为增透膜32的第一表面320执行了粗糙处理，折射光线45在执行了粗糙处理的第一表面320发生漫反射，漫反射形成的反射光线不会形成一个清晰的重影的像。反射光线43被第一目镜40接收，如此，第一目镜40就接收到反射光线43，而避免了发生重影。并且，当透过第一目镜40观看第二屏幕20的像时，因为光学元件06表面执行的粗糙处理，会阻挡一部分从第二屏幕20入射的光，使得第一目镜40的偏振片集中过滤其他方向入射至第一目镜40的光，彻底消除第二屏幕20的残影。

在本发明中，作为一个实施例，上述的粗糙处理可包括：磨砂处理。

其中，磨砂处理可为均匀磨砂，也可为非均匀磨砂。

磨砂处理包括以下至少一种：喷砂、打磨、精雕、激光雕刻、化学腐蚀。

在本发明中，作为另一个实施例，上述的粗糙处理包括：贴磨砂亚光薄膜。磨砂亚光薄膜的厚度本发明并不具体限定，只要不影响本发明中消除重影和残影即可。

本实施方式中，当光学元件06的表面设有增透膜，则作为一个实施例，如第一实施例描述的，增透膜的厚度随着第一屏幕或者第二屏幕出射的光线与所述光学元件之间形成的入射角的变化而变化，以消除光学元件对光线的多次反射或者透射造成的重影。

作为另一个实施例，当光学元件06的表面设有增透膜，如第三实施例描述的，增透膜的厚度随着第一屏幕或者第二屏幕出射的光线与所述光学元件之间形成的入射角呈现梯度变化。其中，光学元件06的表面从靠近第一屏幕到远离第一屏幕分为多个区域，每个区域镀设同一个厚度的增透膜。

作为另一个实施例，当光学元件06的表面设有增透膜，如第四实施例描述的，增透膜的厚度随着第一屏幕或者第二屏幕出射的光线与所述光学元件之间形成的入射角呈现渐变变化。其中，光学元件06的表面从靠近第一屏幕到远离第一屏幕分为多个区域，每个区域镀设同一个厚度的增透膜。

另外，本实施方式中，作为一个实施例，光学元件06上与增透膜相背对的另外一个表面设有半透半反膜，半透半反膜用于在光线通过时，使反射光的P分量和S分量的相位差接近0°或接近180°，或透射光的P分量和S分量的相位差接近0°或接近180°；其中，P分量平行于入射面，S分量垂直于入射面。

本实施方式中，作为一个实施例，第一目镜40及第二目镜50靠近光学元件06的表面上分别设置有波片，波片用于使入射至波片的光线产生反向的相位差，以消减残留影像。

至此，完成第五实施例的描述。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (14)

1.一种穿戴显示设备，包括：呈角度设置的第一屏幕和第二屏幕、与所述第一屏幕对应的第一目镜、以及与所述第二屏幕对应的第二目镜，其特征在于，所述设备还包括：一机身、以及设置在所述第一屏幕与所述第二屏幕之间的光学元件；

所述光学元件的表面指定部分被执行用于引起漫反射的粗糙处理，以使射向所述指定部分的光发生漫反射，所述指定部分位于所述光学元件的朝向第一屏幕的表面中除第一屏幕成像区域之外的区域，或，位于所述光学元件的朝向第二屏幕的表面上除第二屏幕成像区域之外的区域；

所述机身承载了所述第一屏幕、所述第二屏幕、所述光学元件、所述第一目镜、及所述第二目镜。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述指定部分为所述光学元件的设有增透膜的表面上的指定部分。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述增透膜的厚度随着第一屏幕或者第二屏幕出射的光线与所述光学元件之间形成的入射角的变化而变化，以消除光学元件对光线的多次反射或者透射造成的重影。

4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述光学元件的表面从靠近第一屏幕到远离第一屏幕分为多个区域，每个区域镀设同一个厚度的增透膜，使所述增透膜的厚度随着第一屏幕或者第二屏幕二者之一出射的光线与所述光学元件之间形成的入射角呈现梯度变化。

5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述光学元件的表面从靠近第一屏幕到远离第一屏幕分为多个区域，每个区域镀设同一个厚度的增透膜，使所述增透膜的厚度随着第一屏幕或者第二屏幕二者之一出射的光线与所述光学元件之间形成的入射角呈现渐变变化。

6.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述光学元件上与所述增透膜相背对的另外一个表面设有半透半反膜，所述半透半反膜用于在光线通过时，使反射光的P分量和S分量的相位差接近0°或接近180°，或透射光的P分量和S分量的相位差接近0°或接近180°；其中，P分量平行于入射面，S分量垂直于入射面。

7.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述第一目镜及第二目镜靠近所述光学元件的表面上分别设置有波片，所述波片用于使入射至波片的光线产生反向的相位差，以消减残留影像。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二屏幕、第一屏幕相互垂直；

所述指定部分位于所述光学元件朝向第二屏幕的表面上除第二屏幕成像区域之外且属于第一屏幕成像区域的区域。

9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二屏幕、第一屏幕相互垂直；

所述指定部分位于所述光学元件朝向第一屏幕的表面上除第一屏幕成像区域之外的部分且属于第二屏幕成像区域的区域。

10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述粗糙处理包括：磨砂处理。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述磨砂处理为均匀磨砂或非均匀磨砂。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述磨砂处理包括以下至少一种：

喷砂、打磨、精雕、激光雕刻、化学腐蚀。

13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述粗糙处理包括：

贴磨砂亚光薄膜。

14.一种无人机系统，其包括：穿戴显示设备及无人飞行器，所述无人飞行器包括用于以无人飞行器第一视角拍摄画面的摄像模块，所述摄像模块通信连接于所述穿戴显示设备，所述穿戴显示设备包括如权利要求1至13任一项所述的穿戴显示设备。

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