CN114706224A - 一种双屏显示光学装置及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及头戴显示设备技术领域，尤其涉及一种双屏显示光学装置及配有该光学装置的头戴显示设备。所述双屏显示光学装置包括光学组件，还包括设置于光学组件上方的第一显示屏和设置于光学组件前方的第二显示屏，所述光学组件包括前后依次排列的第一镜片组、第二镜片组和波导镜片组，所述第一显示屏的图像光线经所述波导镜片组、第二镜片组反射和/或折射后进入人眼；所述第二显示屏的图像光线经所述第一镜片组、第二镜片组和波导镜片组反射和/或折射后进入人眼。本发明通过设置两个显示屏，分别通过光学组件在人眼中呈现不同的图像，并且通过对光学组件的配置，调整成像焦距，可以实现不同景深的图像效果。

Description

一种双屏显示光学装置及头戴显示设备

技术领域

本发明涉及头戴显示设备技术领域，尤其涉及一种双屏显示光学装置及配有该光学装置的头戴显示设备。

背景技术

在虚拟现实领域，VR眼镜、AR眼镜等头戴显示设备都是必要的组成部分。头戴显示设备通过一组光学组件将小显示屏上的图像投射到人眼的视网膜上，呈现一种观看大屏幕图像的效果。现有的头戴显示设备多采用的是一个显示屏，用户只能看到一个景深的图像，并且视野中心和边缘的分辨率都是完全相同，而事实上大视角头显需要中心区的分辨率非常高，而边缘只需要低分辨率。

目前，针对头戴显示设备图像景深单一的问题，也有专利文献(CN209417426U)公开了一种双独立显示屏可调焦的VR眼镜，通过分别对应左右眼独立设置可调焦的目镜和显示屏，达到能针对左右眼图像单独调焦的目的。但这种方式并不能解决多个景深的问题，而且两个显示屏的视场角相同，也无法实现多重视场角图像融合叠加的效果，也无法解决大视场角中心区和边缘区不同分辨率要求的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种双屏显示光学装置，通过设置一大一小两个显示屏，实现多重视场角图像融合叠加的效果，同时能展示多个景深的图像。

一种双屏显示光学装置，包括光学组件，还包括设置于光学组件上方的第一显示屏和设置于光学组件前方的第二显示屏，所述光学组件包括前后依次排列的第一镜片组、第二镜片组和波导镜片组，所述第一显示屏的图像光线经所述波导镜片组、第二镜片组反射和/或折射后进入人眼；所述第二显示屏的图像光线经所述第一镜片组、第二镜片组和波导镜片组反射和/或折射后进入人眼。本发明通过在光学组件前方和上方设置两个显示屏，并选择合适的光学组件，确保两个显示屏的图像经反射和折射后进入人眼，在人眼中形成放大的图像，从而能实现两个图像的融合叠加。

对于第一显示屏和第二显示屏的选择，可以是相同分辨率或不同分辨率，可以是相同或不同可视角，也可以是相同或不同光轴，在人眼中所成的虚像可以避让或不避让，但始终要内容匹配做拼接。即所述第一显示屏和第二显示屏的图像经所述光学组件反射和/或折射后，在人眼处进行图像叠加，显示内容相互匹配，显示画面位于同一平面或不同平面。

进一步，所述第一镜片组包括第一镜片和第一部分反射器，所述第一镜片为厚度均匀的弧形透镜，所述第一镜片包括凸面和凹面，凸面靠近第二显示屏，凹面靠近第二镜片组，所述第一部分反射器设置在所述第一镜片的凹面上。所述第二镜片组包括第二镜片和第二部分反射器，所述第二镜片为厚度均匀的弧形透镜，所述第二镜片包括凸面和凹面，凸面靠近第一镜片组，凹面靠近波导镜片组，所述第二部分反射器设置在所述第二镜片的凸面上。第一镜片和第二镜片设置成厚度均匀，透视时图像光线不会畸变。同时，通过凹反射面和凸反射面的组合，并设置部分反射器，可以满足不同方向光线的透射和反射放大成像的要求。

所述波导镜片组包括波导棱镜、波导补偿镜和第三部分反射器，所述波导棱镜靠近第一显示屏，波导补偿镜位于波导棱镜下方，两者沿一斜面贴合组成均厚的光学镜片，所述第三部分反射器设置在所述波导棱镜和波导补偿器之间。波导棱镜的功能是实现光线在棱镜内的多次反射，本发明为了终止光线在棱镜内部的反射，使光线能够从棱镜中射出，以便射向下一个光线镜片，在波导棱镜后侧面上贴了部分反射器。同时，通过设置波导补偿镜来实现透镜的均厚，不扭曲视觉。

所述第一、第二、第三部分反射器对光线部分透过，部分反射，所述第一、第二、第三部分反射器为半透半反膜或反射偏振膜。

如果要实现中央小视场角高分辨率和周边大视场角低分辨率的要求，可以设置第一显示屏图像显示面积小于第二显示屏图像显示面积，且第一显示屏的分辨率大于第二显示屏。这样可以实现相同焦距下双屏不同清晰度的差异化显示效果。

本发明除了能实现相同景深、不同分辨率、不同大小图像的叠加外，还能显示不同景深的图像(即双屏图像前后显示)，这种可以通过设置两个显示屏经光学组件成像的焦距不同来实现。具体可以采用以下两种方案：

1、所述第二镜片组能前后移动，用于调节第一显示屏和第二显示屏的图像经所述光学组件后在人眼的成像的位置，从而达到所述第一显示屏和第二显示屏的图像在人眼处同焦面或更大景深反差的显示效果。

2、所述第一显示屏可移动，移动所述第一显示屏时，所述第一显示屏通过所述光学组件在人眼处的成像焦距发生改变。

进一步，所述第一镜片组还包括设置于第一镜片后方的第一1/4玻片，和/或第二镜片组还包括设置于第二镜片后方的第二1/4玻片。1/4玻片的作用是对反射镜片的光线进行校畸，防止图像畸变，当没有1/4玻片时，图像会有重影。

本发明除了为第一显示屏和第二显示屏的图像提供光通道外，还可以为外部环境光学提供光通道。即将所述第二显示屏为旋转扫描屏，外界环境光线能穿过显示屏和光学组件进入人眼，实现第二显示屏图像和外部环境图像的同时显示。

一种头戴显示设备，具有上述双屏显示光学装置。

本发明的有益效果：

1、本发明通过设置两个显示屏，分别通过光学组件在人眼中呈现不同的图像，并且通过对光学组件的配置，调整成像焦距，可以实现不同景深的图像效果。

2、本发明可以通过设置两个显示屏不同的视场角和分辨率，实现大视场角中心区高分辨率、边缘区低分辨率的要求。

附图说明

图1是实施例1的光学结构示意图；

图2是实施例2的光学结构示意图；

图3是实施例3的一种成像效果示意图；

图4是实施例3的另一种成像效果示意图；

图5是实施例4的成像效果示意图；

图6是实施例5的光学结构示意图；

图7是实施例5中旋转扫描屏示意图。

图中，1、第二显示屏，2、第一镜片，3、第二镜片，4、波导棱镜，5、第一显示屏，6、第一部分反射器，7、第二部分反射器，8、波导补偿镜，9、人眼，10、第三部分反射器，11、1/4玻片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式进行详细说明。

实施例1

一种双屏显示光学装置，如图1所示，包括光学组件、第一显示屏5和第二显示屏1，所述光学组件包括第一镜片组、第二镜片组和波导镜片组。所述第一镜片组位于最前侧，它包括第一镜片2和第一部分反射器6，第一镜片2为一厚度均匀的弧形透镜，包括凸面和凹面，其中凸面靠近第一显示屏，凹面靠近第二镜片组，第一部分反射器6采用半透半反膜或反射偏振膜，贴/镀于凹面上，形成凹反射面，用于将图像放大。第二镜片组位于中间，它包括第二镜片3和第二部分反射器7，第二镜片3为一厚度均匀的弧形透镜，包括凸面和凹面，其中凸面靠近第一镜片组，凹面靠近波导镜片组，第二部分反射器7采用半透半反膜或反射偏振膜，贴/镀于凸面上，形成凸反射面，用于将图像缩小。所述波导镜片组位于后侧，它包括一个波导棱镜4和一个波导补偿镜8，波导棱镜4截面为一个三角形，其中前侧面竖直设置，顶面和后侧面倾斜设置，波导棱镜4前侧面和顶面贴有波导薄膜，用于反射光线。波导补偿镜8具有一与波导棱镜后侧面角度相同的斜面，前后两个侧面竖直平行设置，波导补偿镜8位于波导棱镜4下方，在两者分界面设置有第三部分反射器10，第三部分反射器10可以是半透半反膜或反射偏振膜，波导棱镜和波导补偿镜之间贴膜后再胶合在一起，组成厚度均匀的透镜。利用分界面处的半透半反膜将波导棱镜中传输的光线反射出波导棱镜，射向第二镜片。

所述第一显示屏5位于波导棱镜4上方，放置方向与波导棱镜顶面平行。所述第二显示屏1位于第一镜片组前方，与波导棱镜组平行放置。将上述双屏显示装置安装于头戴显示设备上应用。

第一显示屏光线的传输路径如下：第一显示屏的图像光线进入波导棱镜，在波导棱镜内经过一次或多次全反射后，射到波导棱镜后侧的部分反射器上，部分光线反射穿出波导棱镜，射到第二镜片的部分反射器上，经过第二镜片凹面的反射放大后，穿过波导棱镜和波导补偿镜后进入人眼。

第二显示屏光线的传输路径如下：第二显示屏的图像光线穿过第一镜片，到达第二镜片，经前侧的凸面反射后到达第一镜片的凹面，再次反射放大后依次穿过第二镜片、波导棱镜和波导补偿镜后进入人眼。

实施例2

一种双屏显示光学装置，如图2所示，在第一镜片2和第二镜片后方各设置一个1/4玻片11，可以对镜片的光线进行校畸，防止图像畸变。

实施例3

本实施例是在实施例2的基础上，配置光学组件以及第一显示屏和第二显示屏的位置，使得两个显示屏在人眼中成像的焦距相同或相近，两个显示屏在同一平面成像，如图3、4所示。图3是设置两个显示屏图像面积相等的成像效果。图4是设置两个显示屏图像面积不相等的成像效果。例如，设置第一显示屏视场角为40-60度，第二显示屏视场角为60度以上，并且第一显示屏具有高分辨率，第二显示屏具有低分辨率。这样可以实现第二显示屏播放对清晰度要求较低的大屏画面(适合显示图像画面)，第一显示屏播放对清晰度要求较高的小屏画面(适合显示文字)，可以满足中央小视场角高分辨率、周边大视场角低分辨率的要求。采用本方案，可以通过双屏显示的方式，满足图像和文字不同分辨率的要求，实现图像和文字的叠加显示。小的屏幕可以在大屏幕的中间位置(如图4)，也可以在大屏幕的边缘位置。

实施例4

本实施例是在实施例2的基础上，通过将一些部件设置成可移动，从而实现第一显示屏和第二显示屏成像的焦距可调，可以实现不同平面的成像效果(如图5)。具体可以是将第一显示屏设置成可上下移动，或者将第二镜片组设置成可前后移动。当第一显示屏向上或向下移动时，第一显示屏光线的光路变长或变短，成像焦距变大或变小，从而与第二显示屏成像焦距不同，达到一前一后的成像效果。当第二镜片组向前或向后移动时，同时影响第一显示屏和第二显示屏图像光线的光路，一个变长，一个变短，进而调节各自的焦距。当眼部注意力集中在前屏显示内容时，前屏显示内容在眼中是清晰成像，此时后屏显示内容虚化；当眼部的注意力集中在后屏显示内容时，前屏显示内容虚化，后屏显示内容清晰化显示。该方案适用于相关的游戏应用，或图像画面显示效果。

实施例5

在实施例2的基础上，将第二显示屏设置为旋转扫描屏(如图6、7)，旋转扫描屏旋转过程中，既能显示图像，供光学组件成像，也能透射外部环境光线，看到外部景象，这种双屏显示装置适合安装在AR眼镜上，达到混合现实效果。

Claims (12)

1.一种双屏显示光学装置，包括光学组件，其特征在于：还包括设置于光学组件上方的第一显示屏和设置于光学组件前方的第二显示屏，所述光学组件包括前后依次排列的第一镜片组、第二镜片组和波导镜片组，所述第一显示屏的图像光线经所述波导镜片组、第二镜片组反射和/或折射后进入人眼；所述第二显示屏的图像光线经所述第一镜片组、第二镜片组和波导镜片组反射和/或折射后进入人眼。

2.根据权利要求1所述的双屏显示光学装置，其特征在于：所述第一显示屏和第二显示屏的图像经所述光学组件反射和/或折射后，在人眼处进行图像叠加，显示内容相互匹配，显示画面位于同一平面或不同平面。

3.根据权利要求1所述的双屏显示光学装置，其特征在于：所述第一镜片组包括第一镜片和第一部分反射器，所述第一镜片为厚度均匀的弧形透镜，所述第一镜片包括凸面和凹面，凸面靠近第二显示屏，凹面靠近第二镜片组，所述第一部分反射器设置在所述第一镜片的凹面上。

4.根据权利要求3所述的双屏显示光学装置，其特征在于：所述第二镜片组包括第二镜片和第二部分反射器，所述第二镜片为厚度均匀的弧形透镜，所述第二镜片包括凸面和凹面，凸面靠近第一镜片组，凹面靠近波导镜片组，所述第二部分反射器设置在所述第二镜片的凸面上。

5.根据权利要求4所述的双屏显示光学装置，其特征在于：所述波导镜片组包括波导棱镜、波导补偿镜和第三部分反射器，所述波导棱镜靠近第一显示屏，波导补偿镜位于波导棱镜下方，两者沿一斜面贴合组成均厚的光学镜片，所述第三部分反射器设置在所述波导棱镜和波导补偿器之间。

6.根据权利要求3或4或5所述的双屏显示光学装置，其特征在于：所述第一、第二、第三部分反射器对光线部分透过，部分反射，所述第一、第二、第三部分反射器为半透半反膜或反射偏振膜。

7.根据权利要求1或2任一项所述的双屏显示光学装置，其特征在于：所述第一显示屏图像显示面积小于第二显示屏图像显示面积，且第一显示屏的分辨率大于第二显示屏。

8.根据权利要求1或2所述的双屏显示光学装置，其特征在于：所述第二镜片组能前后移动，用于调节第一显示屏和第二显示屏的图像经所述光学组件后在人眼的成像的位置，从而达到所述第一显示屏和第二显示屏的图像在人眼处同焦面或更大景深反差的显示效果。

9.根据权利要求1或2所述的双屏显示光学装置，其特征在于：所述第一显示屏可移动，移动所述第一显示屏时，所述第一显示屏通过所述光学组件在人眼处的成像焦距发生改变。

10.根据权利要求6所述的双屏显示光学装置，其特征在于：所述第一镜片组还包括设置于第一镜片后方的第一1/4玻片，和/或第二镜片组还包括设置于第二镜片后方的第二1/4玻片。

11.根据权利要求1或2所述的双屏显示光学装置，其特征在于：所述第二显示屏为旋转扫描屏，外界环境光线能穿过显示屏和光学组件进入人眼，实现第二显示屏图像和外部环境图像的同时显示。

12.一种头戴显示设备，其特征在于：具有权利要求1-11任一项所述的双屏显示光学装置。

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