CN117331227A - 近眼显示系统以及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种近眼显示系统以及头戴显示设备；其中，所述近眼显示系统包括：镜筒、第一屏幕、第二屏幕、镜片、眼球追踪摄像头以及第一全反射镜和第二全反射镜；第一屏幕和第二屏幕均倾斜设置于镜筒的侧壁，且第一屏幕与第二屏幕关于镜筒的中心轴线呈镜像对称分布；镜片设置于镜筒的第一端；眼球追踪摄像头设置于镜筒的第二端；第一全反射镜和第二全反射镜均倾斜设置于镜筒内并关于镜筒的中心轴线呈镜像对称，第一全反射镜位于第一位置，能用于将第一屏幕出射的第一图像光全反射至镜片，第二全反射镜位于第二位置，能用于将第二屏幕出射的第二图像光全反射至镜片。本申请实施例提供的近眼显示系统，可实现VR设备的超高分辨率成像。

Description

近眼显示系统以及头戴显示设备

技术领域

本申请实施例涉及光学成像技术领域，更具体地，本申请实施例涉及一种近眼显示系统以及头戴显示设备。

背景技术

近些年，虚拟现实头显类产品呈现高速发展的态势，各种新式的光学方案和光学器件层出不穷。但是，受限于VR设备屏幕制造工艺和高分辨率屏幕的使用成本，目前VR设备中使用的屏幕分辨率最高只能达到4K，这导致现有的VR设备的成像分辨率较低，影响用户的观看体验感。

发明内容

本申请的目的是提供一种近眼显示系统以及头戴显示设备的新技术方案。

第一方面，本申请提供了一种近眼显示系统。所述近眼显示系统包括：

镜筒；

第一屏幕和第二屏幕，均倾斜设置于所述镜筒的侧壁，且所述第一屏幕与所述第二屏幕关于所述镜筒的中心轴线呈镜像对称分布；

镜片，设置于所述镜筒的第一端；

眼球追踪摄像头，设置于所述镜筒的第二端；

第一全反射镜和第二全反射镜，均倾斜设置于所述镜筒内且关于所述镜筒的中心轴线呈镜像对称，所述第一全反射镜位于第一位置，用于将所述第一屏幕出射的第一图像光全反射至所述镜片，所述第二全反射镜位于第二位置，用于将所述第二屏幕出射的第二图像光全反射至所述镜片。

可选地，所述近眼显示系统还包括平板玻璃，所述平板玻璃连接在所述第一全反射镜与所述第二全反射镜之间。

可选地，所述平板玻璃呈矩形，且所述平板玻璃的长边尺寸大于所述眼球追踪摄像头的成像圆直径。

可选地，所述平板玻璃的任一表面上设置有增透膜或滤光膜。

可选地，所述眼球追踪摄像头位于所述镜筒的第二端的中部位置，用于正对人眼采集眼球的位置信息。

可选地，所述第一屏幕与所述第二屏幕分别嵌设于所述镜筒的侧壁内；

所述第一屏幕及所述第二屏幕分别与所述镜筒的侧壁形成目标角度，且所述目标角度为≤不大于30°。

可选地，所述目标角度为5°～30°。

可选地，所述第一全反射镜及所述第二全反射镜分别与所述镜筒的侧壁固定连接，所述第一全反射镜及所述第二全反射镜相对于所述镜筒的侧壁均为倾斜设置，且倾斜角度为50°～70°。

可选地，所述第一图像光经所述第一全反射镜反射后经过所述镜片形成第一图像，所述第二图像光经所述第二全反射镜反射后经过所述镜片形成第二图像，所述第一图像与所述第二图像拼接合成目标图像，且所述第一图像与所述第二图像具有重合区域A。

可选地，所述镜筒的侧壁由第一壁部、第二壁部、第三壁部及第四壁部围合形成，且所述第一壁部与所述第二壁部呈相对设置，所述第三壁部与所述第四壁部呈相对设置；

所述第一屏幕设置于所述第一壁部，所述第二屏幕设置于所述第二壁部，所述第一壁部及所述第二壁部为直壁结构；

所述第三壁部与所述第四壁部中的一个靠近鼻翼侧，所述第三壁部与所述第四壁部为弧形。

第二方面，本申请提供了一种头戴显示设备。所述头戴显示设备包括：

壳体；以及

如第一方面所述的近眼显示系统，所述近眼显示系统设置于所述壳体。

本申请的有益效果为：

根据本申请实施例的近眼显示系统，提供了一种双屏图像拼接融合搭配眼球追踪摄像头的光路设计，能够提升虚拟现实头显类设备的单眼分辨率及双眼分辨率，从而能够提高最终成像显示效果和清晰度；而且，通过对两块屏幕进行特定角度的排列分布配合光线全反射，不会增加系统的体积，可以使虚拟现实类产品实现轻薄化。

通过以下参照附图对本说明书的示例性实施例的详细描述，本说明书的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本说明书的实施例，并且连同其说明一起用于解释本说明书的原理。

图1为本申请实施例提供的近眼显示系统的结构及光路图；

图2为本申请实施例提供的近眼显示系统的图像拼接显示效果图；

图3为本申请实施例提供的近眼显示系统的镜筒的外形图。

附图标记说明：

01、人眼；1、第一屏幕；2、第二屏幕；3、镜筒；31、第一端；32、第二端；301、第一壁部；302、第二壁部；303、第三壁部；304、第四壁部；4、镜片；5、第一全反射镜；6、第二全反射镜；7、眼球追踪摄像头；8、平板玻璃；

11、第一图像；21、第二图像；A、重合区域。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

下面结合附图，对本申请实施例提供的近眼显示系统以及头戴显示设备进行详细地描述。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种近眼显示系统，所述近眼显示系统适用于虚拟现实显示设备，例如VR头戴显示设备。具体地，所述VR头戴显示设备的形式包括VR智能眼镜或者VR智能头盔等，本申请实施例对头戴显示设备的具体形式对此不做限制。

本申请实施例提出的近眼显示系统，参见图1，所述近眼显示系统包括：镜筒3、第一屏幕1、第二屏幕2、镜片4、眼球追踪摄像头7，以及第一全反射镜5和第二全反射镜6。其中，所述第一屏幕1和所述第二屏幕2均倾斜设置于镜筒3的侧壁，且所述第一屏幕1与所述第二屏幕2关于镜筒3的中心轴线呈镜像对称分布。所述镜片4设置于所述镜筒3的第一端31。所述眼球追踪摄像头7设置于镜筒3的第二端32。所述第一全反射镜5和所述第二全反射镜6均倾斜设置于镜筒3内并关于镜筒3的中心轴线呈镜像对称分布，其中的第一全反射镜5位于第一位置，能用于将第一屏幕1出射的第一图像光全反射至所述镜片4，所述第二全反射镜6位于第二位置，能用于将第二屏幕2出射的第二图像光全反射至所述镜片4。

根据上述实施例提供的近眼显示系统，在应用中，其对应着使用者的单眼，即为一种单眼搭配双屏幕的光学成像方案。本申请实施例提供的光学方案，通过使用两块屏幕图像合成的方式实现了成倍的提升了单眼分辨率，参见图2。在此基础上，可以提升双目成像的分辨率。

例如，目前VR设备中单块屏幕分辨率最高只能达到4K。本申请实施例提供的光学方案，实现了单眼8K以上的分辨率。单眼分辨率成倍增加。

本申请实施例提供的方案中，通过对两块屏幕进行特定角度的排列分布，搭配反射结构反射光线的设计，不会额外增加近眼显示系统的体积。

也就是说，本申请实施例提供的近眼显示系统，能够在不额外增加系统体积的基础上，还实现了单眼成倍增加的分辨率例如8K以上的分辨率。

根据本申请实施例的近眼显示系统，提供了一种双屏图像拼接融合搭配眼球追踪摄像头7的光路设计，能够提升虚拟现实头显类设备的单眼分辨率及双眼分辨率，从而能够提高最终成像显示效果和清晰度；而且，通过对两块屏幕进行特定角度的排列分布配合光线全反射，不会增加系统的体积，可以使虚拟现实类产品实现轻薄化。

本申请实施例提供的近眼显示系统，可以在保证VR设备轻薄化的同时，提升最终成像的分辨率，这使得VR设备的佩戴体验与观感体验都有进一步的提升。

根据上述实施例，所述镜筒3用于容纳上述的各种光学元件。

具体地，参见图1，所述镜筒3的侧壁具有一定的壁厚，所述镜筒3内部具有容纳空间，所述镜筒3具有沿轴向相对的第一端31及第二端32，例如在所述第一端31至所述镜筒3内部安装有至少一个镜片4，而所述第二端32则安装有眼球追踪摄像头7。

其中，所述镜片4的数量可根据需要进行调整，本申请对此不做限制。

根据本申请上述实施例提供的近眼显示系统，参见图1，其光路传播路径为：所述第一屏幕1发出的第一图像光投射至所述第一全反射镜5上，所述第二屏幕2发出的第二图像光投射至所述第二全反射镜6上，所述第一图像光经所述第一全反射镜5反射，所述第二图像光经所述第二全反射镜6反射，所述第一图像光及所述第二图像光经过镜片4进入人眼01成像。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述近眼显示系统还包括平板玻璃8，所述平板玻璃8连接在所述第一全反射镜5与所述第二全反射镜6之间。

根据上述示例，在所述近眼显示系统中还使用了一块平板玻璃8，所述平板玻璃8设置在所述镜筒3内，具体位于所述第一全反射镜5与所述第二全反射镜6之间，所述平板玻璃8用于支撑两个全反射镜，还可以起到增透的作用。

参见图1，所述平板玻璃8在所述第一全反射镜5与所述第二全反射镜6之间为竖直设置。所述镜筒3的中心轴线穿过所述平板玻璃8的中心。

在本申请的一些示例中，所述平板玻璃8呈矩形，且所述平板玻璃8的长边尺寸大于所述眼球追踪摄像头7的成像圆直径。

所述平板玻璃8的形状与所述第一屏幕1和所述第二屏幕2的形状相关。例如，所述第一屏幕1和所述第二屏幕2均为矩形，此时，所述平板玻璃8的外形也为矩形。并且，所述平板玻璃8的长边尺寸与两块屏幕的长边尺寸是相关的。

根据上述示例提供的光学约束条件，参见图1，所述眼球追踪摄像头7的视场角(也即其拍摄范围)能够涵盖一整块的屏幕。这样，能够提升眼球追踪摄像头7追踪人眼的精准度。

需要说明的是，若一整块屏幕的长边能被所述眼球追踪摄像头7拍摄全，则屏幕的短边自然可以被拍全。

在本申请的一些示例中，所述平板玻璃8的任一表面上设置有增透膜或滤光膜。

在所述平板玻璃8的一个表面上设置增透膜，可用于增强光的透射率，减少反射率。

在所述平板玻璃8的一个表面上设置滤光膜，可以对入射的光线进行滤光处理，以使需要的光线透过。

可选的是，所述增透膜及所述滤光膜可以通过镀膜或者粘贴的方式与所述平板玻璃8结合在一起。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述眼球追踪摄像头7位于所述镜筒3远离人眼01的第二端的中部位置，能够用于正对人眼01采集眼球的位置信息。

参见图1，将所述镜筒3远离人眼01一端(即图1中的第二端32)定义为镜筒末端，所述眼球追踪摄像头7设置在该镜筒末端的中心。所述眼球追踪摄像头7所在位置能够正对人眼01拍摄图像，以达到更好的眼球追踪效果与更高的精准度。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述第一屏幕1与所述第二屏幕2分别嵌设于所述镜筒3的侧壁内；所述第一屏幕1及所述第二屏幕2分别与所述镜筒3的侧壁形成目标角度，且所述目标角度为≤30°。

本申请实施例提供的光学方案，主要依靠对图像显示源也即第一屏幕1和第二屏幕2的放置角度与放置位置进行设计优化，通过搭配所述镜筒3内特殊的反射透射结构，实现双屏幕图像的拼接融合，同时提升了所述眼球追踪摄像头7追踪人眼的精准度。

此外，本申请中，两个屏幕是嵌设在所述镜筒3的侧壁内的，而并非沿镜筒的轴向设置，可以缩小镜筒的轴向尺寸。

其中，所述目标角度可以为5°～30°(包括两个端点值)。

例如，所述目标角度可以为5°、10°、15°、20°、25°、30°等在本申请的一些示例中，所述第一全反射镜5及所述第二全反射镜6分别与所述镜筒3的侧壁固定连接，所述第一全反射镜5及所述第二全反射镜6相对于所述镜筒3的侧壁均为倾斜设置，且倾斜角度为50°～70°(包括两个端点值)。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述第一图像光经所述第一全反射镜5反射后经过所述镜片4形成第一图像11，所述第二图像光经所述第二全反射镜6反射后经过所述镜片4形成第二图像21，参见图2，所述第一图像11与所述第二图像21拼接合成目标图像，且所述第一图像11与所述第二图像21具有重合区域A。

参见图1，本申请实施例提供的近眼显示系统中，两个屏幕的摆放位置均存在特定角度的倾斜。这样，所述第一屏幕1与所述第二屏幕2分别发出的图像光在全反射镜反射后会存在一部分重合区域A，参见图2。

需要说明的是，重合区域A的大小取决于两个屏幕相对镜筒3的侧壁平面的倾斜角度(即前述的目标角度)及全反射镜反射图像的角度。屏幕及全反射镜的倾斜角度同时增加，则两画面图像显示的重合区域A越大。也就是说，重合区域A的大小受屏幕及全反射镜的放置角度这两个因素的影响，可以通过调节这两个因素使重合区域A达到预先设计的要求。

作为本申请一种较为优选的方式，所述第一屏幕1和所述第二屏幕2与所述镜筒3的侧壁平面夹角在5°～30°，且所述第一全反射镜5和所述第二全反射镜6相对于所述镜筒3的侧壁平面的倾角为50°～70°。此外，二者具体的倾斜角度范围还会受到系统中的光学镜片例如镜片4的光学参数所影响，但一定存在至少一个角度能够实现所述第一屏幕1与所述第二屏幕2发出的图像光清晰且完整的成像在人眼01处。

在本申请的一些示例中，参见图3，所述镜筒3的侧壁由第一壁部301、第二壁部302、第三壁部303及第四壁部304围合形成，且所述第一壁部301与所述第二壁部302呈相对设置，所述第三壁部303与所述第四壁部304呈相对设置。所述第一屏幕1设置于所述第一壁部301，所述第二屏幕2设置于所述第二壁部302，所述第一壁部301及所述第二壁部302为直壁结构。所述第三壁部303与所述第四壁部304中的一个靠近鼻翼侧，所述第三壁部303与所述第四壁部304为弧形。

结合图1及图3，在所述镜筒3相对的两个壁部分别内嵌入了第一屏幕1及第二屏幕2，且将该两个壁部设计为直壁结构，便于对该两个屏幕进行定位(易于控制倾斜角度)和安装。并且，将所述镜筒3靠近鼻翼侧的壁部设计为弧形，该设计在鼻梁侧可以起到避让的作用，在此基础上，可以将与鼻翼部相对的另一壁部也设计为弧形，起到对称的效果。

参见图3，所述镜筒3的纵截面类似跑道形状。

本申请实施例提供的近眼显示系统，提出双屏幕图像拼接融合搭配眼球跟踪摄像头直拍人眼的光路设计，能够成倍的提升虚拟现实头显类设备其单眼分辨率、双目分辨率，进一步提高显示效果和清晰度。

根据本申请的另一个实施例，提供了一种头戴显示设备。

所述头戴显示设备包括壳体以及如上所述的近眼显示系统，所述近眼显示系统设置于所述壳体。

其中，所述近眼显示系统设置可以设置为两个，分别对应使用者的左眼和右眼，能够成倍的提升单眼分辨率及双目分辨率，从而进一步提高显示效果和清晰度。

其中，所述头戴显示设备的形式可以为VR眼镜或者VR头盔，本申请实施例中对此不做限制。

本申请实施例的头戴显示设备的具体实施方式可以参照上述近眼显示系统各实施例，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

虽然已经通过示例对本申请的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种近眼显示系统，其特征在于，包括：

镜筒(3)；

第一屏幕(1)和第二屏幕(2)，均倾斜设置于所述镜筒(3)的侧壁，且所述第一屏幕(1)与所述第二屏幕(2)关于所述镜筒(3)的中心轴线呈镜像对称分布；

镜片(4)，设置于所述镜筒(3)的第一端(31)；

眼球追踪摄像头(7)，设置于所述镜筒(3)的第二端(32)；

第一全反射镜(5)和第二全反射镜(6)，均倾斜设置于所述镜筒(3)内且关于所述镜筒(3)的中心轴线呈镜像对称，所述第一全反射镜(5)位于第一位置，用于将所述第一屏幕(1)出射的第一图像光全反射至所述镜片(4)，所述第二全反射镜(6)位于第二位置，用于将所述第二屏幕(2)出射的第二图像光全反射至所述镜片(4)。

2.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括平板玻璃(8)，所述平板玻璃(8)连接在所述第一全反射镜(5)与所述第二全反射镜(6)之间。

3.根据权利要求2所述的近眼显示系统，其特征在于，所述平板玻璃(8)呈矩形，且所述平板玻璃(8)的长边尺寸大于所述眼球追踪摄像头(7)的成像圆直径。

4.根据权利要求2或3所述的近眼显示系统，其特征在于，所述平板玻璃(8)的任一表面上设置有增透膜或滤光膜。

5.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述眼球追踪摄像头(7)位于所述镜筒(3)的第二端(32)的中部位置，用于正对人眼(01)采集眼球的位置信息。

6.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述第一屏幕(1)与所述第二屏幕(2)分别嵌设于所述镜筒(3)的侧壁内；

所述第一屏幕(1)及所述第二屏幕(2)分别与所述镜筒(3)的侧壁形成目标角度，且所述目标角度为≤不大于30°。

7.根据权利要求6所述的近眼显示系统，其特征在于，所述目标角度为5°～30°。

8.根据权利要求6所述的近眼显示系统，其特征在于，所述第一全反射镜(5)及所述第二全反射镜(6)分别与所述镜筒(3)的侧壁固定连接，所述第一全反射镜(5)及所述第二全反射镜(6)相对于所述镜筒(3)的侧壁均为倾斜设置，且倾斜角度为50°～70°。

9.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述第一图像光经所述第一全反射镜(5)反射后经过所述镜片(4)形成第一图像(11)，所述第二图像光经所述第二全反射镜(6)反射后经过所述镜片(4)形成第二图像(21)，所述第一图像(11)与所述第二图像(21)拼接合成目标图像，且所述第一图像(11)与所述第二图像(21)具有重合区域(A)。

10.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述镜筒(3)的侧壁由第一壁部(301)、第二壁部(302)、第三壁部(303)及第四壁部(304)围合形成，且所述第一壁部(301)与所述第二壁部(302)呈相对设置，所述第三壁部(303)与所述第四壁部(304)呈相对设置；

所述第一屏幕(1)设置于所述第一壁部(301)，所述第二屏幕(2)设置于所述第二壁部(302)，所述第一壁部(301)及所述第二壁部(302)为直壁结构；

所述第三壁部(303)与所述第四壁部(304)中的一个靠近鼻翼侧，所述第三壁部(303)与所述第四壁部(304)为弧形。

11.一种头戴显示设备，其特征在于，包括：

壳体；以及

如权利要求1-10中任一项所述的近眼显示系统，所述近眼显示系统设置于所述壳体。