CN111929899A - 一种增强现实头戴显示设备 - Google Patents
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Abstract
本申请一种增强现实头戴显示设备，包括头带、镜腿及光学主机，头带和镜腿分别与光学主机通过插拔机构可拆卸式连接；光学主机还包括可抑制近视加深的光路结构，通过定焦光路和变焦光路形成光学离焦，加强近视散焦以抵消近视发育；对于患有远视的用户，同样可以改变变焦光路中负透镜组的位置使得背景图像成像于视网膜后方以控制远视加深；短时间使用时依靠镜腿和鼻托即可固定整个显示设备，长时间使用时依靠头带固定整个显示设备，这种佩戴结构既保证了设备的牢固性，同时兼顾轻便和舒适度。
Description
技术领域
本发明属于增强现实设备领域，具体涉及一种增强现实头戴显示设备。
背景技术
增强现实头戴显示设备(简称“AR设备”)可以在现实场景中利用计算机构建虚拟物体与信息，使得用户可观察和探索不可能接触到的场景，着重虚拟物体和真实世界的互动。现已有不少公司参与到AR设备的研发中，例如Facebook的Oculus、索尼的ProjectMorpheus、三星的Gear、微软的HoloLens等，但现有的AR设备存在安全隐忧。为了提高佩戴的牢固性，现有的AR设备会在额头或头顶设置支撑部分，且支撑部分大都是与设备的其他结构一体式设计，这样的一体式支撑结构如要做到能因应不同用户进行个性化调节需要复杂的调节结构，由此增加成本，且额外增加整个设备的重量和佩戴负担，降低用户的使用舒适度；同时AR设备对用眼健康的威胁也不断增大，长时间的沉浸式使用、屏幕过亮、虚拟物体与现实场景失焦等都会对眼睛产生严重的负面影响，导致近视或近视程度加深。
发明内容
基于此，本发明旨在提出一种增强现实头戴显示设备，以克服传统增强现实头戴显示设备的技术缺陷。
本发明一种增强现实头戴显示设备，包括：
头带、镜腿及光学主机；
头带和镜腿分别与光学主机通过插拔机构可拆卸式连接；
光学主机内包括有可抑制近视加深的光路结构，该光路结构包括分光镜、双凸曲面棱镜及出瞳面；
还包括第一显示器件、第一负透镜组；
沿光线传输方向依次经过所述第一显示器件、第一负透镜组、分光镜、双凸曲面棱镜及出瞳面形成定焦光路；
还包括第二显示器件、平面反射镜、第二负透镜组；
沿光线传输方向依次经过所述第二显示器件、平面反射镜、第二负透镜组、分光镜、双凸曲面棱镜及出瞳面形成变焦光路；
定焦光路形成的图像和变焦光路形成的图像或外间环境图像在设备前方形成一叠加的虚像。
优选地，出瞳面到双凸曲面棱镜表面之间的镜目距大于等于15mm。
优选地，双凸曲面棱镜沿光线传输方向宽度小于15mm。
优选地，双凸曲面棱镜下边缘到第一显示器件表面的距离小于30mm。
优选地，第一显示器件和第二显示器件均为OLED显示器。
优选地，分光镜的透反比为50/50。
优选地，插拔机构包括设置在光学主机上的凹孔和分别设置在头带和镜腿上的凸型插座。
优选地，头带后端设置为伸缩机构，包括一带螺纹的伸缩段和一旋钮，伸缩段与旋钮的齿轮件传动连接，用于调整头带的大小。
优选地，设置在头带上的凸型插座包括：
固定件及翻转件；
固定件设置在头带前端，翻转件与光学主机插拔式连接时可带动光学主机在前后方向上翻转。
优选地，光学主机上设置有一内嵌磁性材料的吸附部，用于固定带有磁性凸起的附加镜片；
在头戴显示设备上增加镜片时通过把附加镜片的磁性凸起吸附于所述吸附部上对镜片进行固定。
从以上技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：
本发明一种增强现实头戴显示设备，头带和镜腿均可与光学主机通过插拔机构可拆卸式连接，短时间使用时依靠镜腿和鼻托即可固定整个显示设备，长时间使用时依靠头带固定整个显示设备，这种佩戴结构既保证了设备的牢固性，同时兼顾轻便和舒适度；本发明的头戴显示设备的光学主机包括了可抑制近视加深的光路结构，通过定焦光路和变焦光路形成光学离焦，通过加强近视散焦抵消近视发育；对于患有远视的用户，同样可以改变变焦光路中负透镜组的位置使得背景图像成像于视网膜后方以控制远视加深；还可通过磁性吸附方式附加镜片，以适用于不同近视程度的患者。本发明的设备还可以通过头带的翻转件带动光学主机翻转，不阻碍用户视线；头带大小可根据用户需求进行调节，兼顾成本的同时提高了显示设备的通用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1本发明增强现实头戴显示设备插拔连接方式示意图
图2本发明增强现实头戴显示设备中插拔机构结构示意图
图3本发明增强现实头戴显示设备所包括的光路结构示意图
图4本发明增强现实头戴显示设备成像示意图
图5本发明增强现实头戴显示设备的头带结构示意图
图6本发明增强现实头戴显示设备一种佩戴方式示意图
图7本发明增强现实头戴显示设备另一种佩戴方式示意图
图8本发明增强现实头戴显示设备的光学主机翻转示意图
图9本发明增强现实头戴显示设备附加镜片吸附方式示意图
图中：1.头带；11.伸缩段；12.旋钮；121.齿轮件；13.固定件；14.翻转件；2.镜腿；3.光学主机；30.鼻托；31.吸附部；32.出瞳面；33.双凸曲面棱镜；34.分光镜；35.第一负透镜组；36.第一显示器件；37.第二负透镜组；38.平面反射镜；39.第二显示器件；4.凹孔；5.凸型插座；6.磁性凸起。
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。
请参阅图1至图4，本实施例提供一种增强现实头戴显示设备，其结构主要由头带1、镜腿2及光学主机3组成；
头带1和镜腿2分别与光学主机3通过插拔机构可拆卸式连接；插拔机构包括设置在光学主机上的凹孔4和分别设置在头带1和镜腿2上的凸型插座5，带凹孔4的光学主机部分由弹性材料制成，凸型插座5由金属材料制成，把凸型插座5插进凹孔4即可将头带1和镜腿2固定在光学主机3上。
光学主机3包括一种可抑制近视加深的光路结构，包括定焦光路和变焦光路，如图3所示，定焦光路包括光学系统出瞳面32、双凸曲面棱镜33、分光镜34、第一负透镜组35和第一显示器件36；变焦光路包括光学系统出瞳面32、双凸曲面棱镜33、分光镜34、第二负透镜组37、平面反射镜38和第二显示器件39。
人眼瞳孔到双凸曲面棱镜33的第一个表面为镜目距，大于等于15mm，人眼瞳孔大小为8mm。双凸曲面棱镜33为一个正光焦度的棱镜，主要功能为压缩大视场产生的大角度光线，以会聚光束的方式耦合进分光镜34中，并且利用全反射原理将光线偏转90度。双眼可以通过双凸曲面棱镜33观察外部真实环境，双凸曲面棱镜33沿光路方向宽度小于15mm。
分光镜34把光路分为定焦光路和变焦光路，定焦光路中由双凸曲面棱镜33压缩光线角度耦合进入分光镜34，从分光镜34出射的会聚光束再经由第一负透镜组35扩大光线角度覆盖整个第一显示器件36，定焦光路总高度即双凸曲面棱镜下边缘到第一显示器件表面的距离小于30mm。
变焦光路中的第二负透镜组37位置可调，通过移动第二负透镜组37就可以改变背景图像成像于视网膜前的不同位置。
定焦光路将主图像清晰成像于视网膜上。变焦光路将背景图像成像于视网膜前一定距离，形成光学离焦，定焦光路和变焦光路通过分光元器件最终叠加在一起，输入人眼，形成一个主视图清晰、背景模糊的叠加图像。
本实施例中，第一显示器件36和第二显示器件39均为有效尺寸为0.423英寸的OLED显示器，规格参数为1024*886，像素大小为7.9μm。
本实施例中，双凸曲面棱镜33的材料为ZEONEX的E48R，第一负透镜组35和第二负透镜组37的材料为光学PC，分光镜34为玻璃BK7的标准10mm分光镜，透反比为50/50。
还可调整第二负透镜组37的位置进行变焦，使得变焦光路的背景图像成像于视网膜前方或后方，分光镜把两个光路的成像进行叠加输入人眼，形成一个主视图清晰、背景模糊的叠加虚像。除了与变焦光路图像进行叠加，定焦光路图像还可与外部环境图像叠加在人眼形成叠加虚像。
通过对本实施例的运用可以通过两个光路成像的叠加加强近视散焦，抵消近视发育，对于远视的情况同样可以通过变焦光路把背景图像成像于视网膜后方以控制远视程度的加深。
头带1的结构如图5所示，后端为一段带螺纹的伸缩段11，伸缩段11上还传动连接有一旋钮12，旋钮12上有一齿轮件121，具体为伸缩段11带螺纹的部分与齿轮件121传动连接，旋转旋钮12使得齿轮件121带动伸缩段11做伸缩运动，实现调整头带大小。
头带1上的凸型插座设置为可翻转结构，包括固定件13及翻转件14；
固定件13设置在头带1的前端，翻转件14与光学主机3上的母体插拔式连接时可带动光学主机3在前后方向上翻转并锁定，即可从位置A翻转90度至位置B，不阻碍视线，使得人眼可观察四周。
本实施例的增强现实头戴显示设备起支撑作用的头带1、镜腿2与光学主机3均可拆卸式连接，短时间使用时依靠光学主机3的鼻托30和镜腿2就可以固定整个设备，此时佩戴方式如图6所示；长时间使用时把头带1插入光学主机3，依靠头带固定设备，如图7所示，并且可以通过头带1的翻转件14把光学主机3在前后方向上翻转，如图8所示，这样的佩戴结构既保证了设备佩戴的牢固性，同时也兼顾了轻便和舒适性。
进一步的实施例中，光学主机3上还设置有一内嵌磁性材料的吸附部31，用于固定带有磁性凸起6的附加镜片，如图9所示，在头戴显示设备上增加镜片时通过把附加镜片的磁性凸起6吸附于吸附部31上对镜片进行固定。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种增强现实头戴显示设备，包括头带、镜腿及光学主机，其特征在于，
所述头带和所述镜腿分别与所述光学主机通过插拔机构可拆卸式连接；
所述光学主机内包括有一光路结构，所述光路结构包括分光镜、双凸曲面棱镜及出瞳面；
还包括第一显示器件、第一负透镜组；
沿光线传输方向依次经过所述第一显示器件、第一负透镜组、分光镜、双凸曲面棱镜及出瞳面形成定焦光路；
还包括第二显示器件、平面反射镜、第二负透镜组；
沿光线传输方向依次经过所述第二显示器件、平面反射镜、第二负透镜组、分光镜、双凸曲面棱镜及出瞳面形成变焦光路；
所述变焦光路形成的图像和所述定焦光路形成的图像或外间环境图像在设备前方形成一叠加的虚像。
2.根据权利要求1所述的增强现实头戴显示设备，其特征在于，所述出瞳面到所述双凸曲面棱镜表面之间的镜目距大于等于15mm。
3.根据权利要求1所述的增强现实头戴显示设备，其特征在于，所述双凸曲面棱镜沿光线传输方向宽度小于15mm。
4.根据权利要求1所述的增强现实头戴显示设备，其特征在于，所述双凸曲面棱镜下边缘到所述第一显示器件表面的距离小于30mm。
5.根据权利要求1所述的增强现实头戴显示设备，其特征在于，所述第一显示器件和所述第二显示器件均为OLED显示器。
6.根据权利要求1所述的增强现实头戴显示设备，其特征在于，所述分光镜的透反比为50/50。
7.根据权利要求1所述的增强现实头戴显示设备，其特征在于，所述插拔机构包括设置在所述光学主机上的凹孔和分别设置在所述头带和所述镜腿上的凸型插座。
8.根据权利要求1所述的增强现实头戴显示设备，其特征在于，所述头带的后端设置为伸缩机构，包括：
一带螺纹的伸缩段和一旋钮，所述伸缩段与所述旋钮的齿轮件传动连接，用于调整头带的大小。
9.根据权利要求7所述的增强现实头戴显示设备，其特征在于，设置在所述头带上的凸型插座包括：
固定件及翻转件；
所述固定件设置在所述头带前端，所述翻转件与所述光学主机插拔式连接时可带动所述光学主机在前后方向上翻转。
10.根据权利要求1所述的增强现实头戴显示设备，其特征在于，所述光学主机上还设置有一内嵌磁性材料的吸附部，用于固定带有磁性凸起的附加镜片，所述附加镜片用于配合不同近视程度的使用者。
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