CN206638889U - 头戴式显示器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施方式公开了一种头戴式显示器，包括：用于佩戴在用户的头部的头戴框架和两个透视型导光元件，每一透视型导光元件具有一凹面，凹面朝向用户的双眼设置；经由一透视型导光元件的凹面反射的第一光线进入用户的左眼，以及经由另一透视型导光元件的凹面反射的第二光线进入用户的右眼，以形成3D虚拟场景的视觉；其中，第一光线包含左眼虚拟图像信息，第二光线包含右眼虚拟图像信息。通过两个透视型导光元件的凹面更多地将包含左眼虚拟图像信息的第一光线和包含右眼虚拟图像信息的第二光线分别反射进入用户的双眼，另外，用户也可以透过透视型导光元件看到外界的真实场景，从而形成混合3D虚拟场景和真实场景的视觉感受。
Description
技术领域
本实用新型实施方式涉及增强现实技术领域，特别是涉及一种头戴式显示器。
背景技术
头戴式显示器是近年来发展的一项新技术，按照具体的应用主要分为VR(VirtualReality，虚拟现实)和AR(Augmented Reality，增强现实)两种。AR的原理是在通过头戴式显示器模拟虚拟视觉，叠加在用户正常的视觉上。目前，AR头戴式显示器有光学透视式和视频透视式这两种实现方式，其主要区别在于光学合成装置不同。
其中，光学透视式的头戴式显示器中的光学合成装置是一种部分透射、部分反射的元件，来自真实环境的光线部分通过该种元件，虚拟图像信息则投影在该种元件上，进而被其反射到用户眼中，从而合成真实和虚拟图像信息。
在实现本实用新型过程中，实用新型人发现相关技术中至少存在如下问题：AR头戴式显示器的视场区域(Field of View)通常比较小，用户无法有效率地与虚拟图像信息进行互动，另外，也无法形成3D虚拟场景的视觉。
实用新型内容
本实用新型实施方式主要解决的技术问题是提供一种视场区域较大、能够形成3D虚拟场景的视觉的头戴式显示器。
为解决上述技术问题，本实用新型实施方式提供一种头戴式显示器，包括：
头戴框架，用于佩戴在用户的头部；
两个透视型导光元件，每一所述透视型导光元件具有一凹面，所述凹面朝向用户的双眼设置；经由一所述透视型导光元件的凹面反射的第一光线进入用户的左眼，以及经由另一所述透视型导光元件的凹面反射的第二光线进入用户的右眼，以形成3D虚拟场景的视觉；其中，所述第一光线包含左眼虚拟图像信息，所述第二光线包含右眼虚拟图像信息；
所述凹面的面型凹陷值sag(x，y)满足：
其中，(x,y)是透视型导光元件的凹面在XY坐标面上的投影点坐标，c是所述凹面的基本曲率，k是所述凹面的基本圆锥系数，N是多项式的数量，Ai是第i阶多项式的系数，Ei(x，y)是标准的两个变量(x,y)的二元幂级数多项式；
或者，
其中，(x,y)是透视型导光元件的凹面在XY坐标面上的投影点坐标，c是所述凹面的基本曲率,N是x方向多项式的数量，M是y方向多项式的数量,aij是第ij阶多项式分部总和的系数，和是将x坐标和y坐标重新定义到[-1,1]区间以后的标准化坐标；
其中，max(|x|)是x绝对值中的最大值，max(|y|)是y绝对值中的最大值；
或者，
其中，(x,y)是透视型导光元件的凹面在XY坐标面上的投影点坐标，c是所述凹面的基本曲率，k是所述凹面的基本圆锥系数,ai是第i阶非球面变量的系数，N是标准Zernike多项式的数量，ρ和分别是x坐标和y坐标相对应的极坐标，ρ的区间范围是[0，1],的区间范围是[0，2π]，Ai是第i阶多项式的系数，是第i阶标准Zernike多项式；
或者，
其中，(x,y)是透视型导光元件的凹面在XY坐标面上的投影点坐标，cx是所述凹面在x方向的基本曲率，kx是所述凹面在x方向的基本圆锥系数,cy是所述凹面在y方向的基本曲率，ky是所述凹面在y方向的基本圆锥系数,α4是轴向对称的第4高阶系数，β4是轴向不对称的第4高阶系数，α6是轴向对称的第6高阶系数，β6是轴向不对称的第6高阶系数，α8是轴向对称的第8高阶系数，β8是轴向不对称的第8高阶系数，α10是轴向对称的第10高阶系数，β10是轴向不对称的第10高阶系数。
其中，每一所述透视型导光元件还具有一与所述凹面相背设置的凸面；经由每一所述透视型导光元件的凸面和凹面透射的包含外界图像信息的第三光线进入用户的双眼，以形成混合3D虚拟场景和真实场景的视觉。
本实用新型实施方式的有益效果是：通过两个透视型导光元件的凹面更多地将包含左眼虚拟图像信息的第一光线和包含右眼虚拟图像信息的第二光线分别反射进入用户的双眼，从而在用户的大脑中形成3D虚拟场景的视觉感受，视觉区域较大。另外，经由透视型导光元件的凸面和凹面透射的包含外界图像信息的第三光线进入用户的双眼，用户能够看到外界的真实场景，从而形成混合3D虚拟场景和真实场景的视觉感受。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本实用新型实施例提供的一种头戴式显示器的应用原理示意图；
图1a是图1中所示设有遮光层的透视型导光元件的结构示意图；
图1b是本实用新型实施例提供的一种头戴式显示器的结构示意图；
图1c是显示模块中显示屏一实施例的结构示意图；
图1d是显示模块中显示屏又一实施例的结构示意图；
图1e是显示模块中显示屏又一实施例的结构示意图；
图1f是显示模组中显示屏又一实施例的结构示意图；
图2是用于介绍凹面的面型凹陷值所作出的透视型导光元件的剖视图；
图3是用于介绍面型凹陷值所作出的透视型导光元件的俯视图；
图4是用于介绍凸面的面型凹陷值所作出的透视型导光元件的剖视图；
图5是图1中所示头戴式显示器中部分结构的摆放角度、光线反射示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本实用新型实施例提供的一种头戴式显示器，包括：头戴框架、显示模块、两个透视型导光元件。其中，透视型导光元件是一种部分透射、部分反射的光学合成装置。
本实用新型实施例中，头戴框架用于佩戴在用户的头部，每一透视型导光元件具有一凹面，凹面朝向用户的双眼设置。经由一透视型导光元件的凹面反射的第一光线进入用户的左眼，以及经由另一透视型导光元件的凹面反射的第二光线用户的右眼，以在用户的头脑中形成3D虚拟场景的视觉。其中，第一光线是由显示模块发射的，且第一光线包含左眼虚拟图像信息，第二光线是由显示模块发射的，且第二光线包含右眼虚拟图像信息。
需要说明的是，显示模块可拆卸安装于头戴框架上，比如，显示模块为手机、平板电脑等智能显示终端；或者，显示模块固定安装于头戴框架上，比如，显示模块与头戴框架集成设计。
头戴框架上可以安装两个显示模块，用户的左眼和右眼分别对应地设置一个显示模块，例如，一个显示模块用于发射包含左眼虚拟图像信息的第一光线，另一个显示模块用于发射包含右眼虚拟图像信息的第二光线。头戴框架上也可以安装单个显示模块，该单个显示模块上有两个显示区域，一个显示区域用于发射包含左眼虚拟图像信息的第一光线，另一个显示区域用于发射包含右眼虚拟图像信息的第二光线。
显示模块包括但不限于LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)、LCOS(Liquid Crystal On Silicon，硅基液晶)等类型的显示器。
头戴框架可以是用于挂在用户耳部和鼻梁部的眼镜式的框架结构，也可以是用于佩戴在用户头顶和鼻梁部的头盔式框架结构。本实用新型实施例中，由于头戴框架的主要作用是用来佩戴在用户的头部以及为显示模块、透视型导光元件等光、电元器件提供支撑，头戴框架包括但不限于上述方式，在具备上述主要作用的前提下，本领域技术人员能够根据实际应用的需要对头戴框架作出若干变形。
下面结合具体附图对本实用新型实施例作具体阐述。
图1是本实用新型实施例提供的一种头戴式显示器的应用原理示意图。
显示模块12发射包含左眼虚拟图像信息的第一光线121，经由一透视型导光元件13的凹面131反射的第一光线121进入用户的左眼14；同理，显示模块发射包含右眼虚拟图像信息的第二光线，经由另一透视型导光元件的凹面反射的第二光线进入用户的右眼，从而在用户的大脑中形成3D虚拟场景的视觉感受，另外，不同于谷歌眼镜中通过在用户的右眼前直接设置一块小型显示屏的方式，导致视觉区域较小，本实用新型实施例中，通过两个透视型导光元件反射更多的显示模块发射的第一光线和第二光线分别进入用户的双眼，视觉区域较大。
在本实用新型实施例中，当头戴式显示器实现增强现实的功能，每一透视型导光元件还具有一与凹面相背设置的凸面；经由透视型导光元件的凸面和凹面透射的包含外界图像信息的第三光线进入用户的双眼，以形成混合3D虚拟场景和真实场景的视觉。再次参阅图1，一透视型导光元件13还具有与凹面131相背设置的凸面132，经由透视型导光元件13的凸面132和凹面131透射的包含外界图像信息的第三光线151进入用户的左眼14，同理，另一透视型导光元件还具有与其凹面相背设置的凸面，经由该透视型导光元件的凸面和凹面透射的包含外界图像信息的第三光线进入用户的右眼，用户能够看到外界的真实场景，从而形成混合3D虚拟场景和真实场景的视觉感受。
在本实用新型实施例中，当头戴式显示器实现虚拟现实的功能，每一透视型导光元件的与凹面相背设置的另一表面包括但不限于凸面形状，为了阻挡包含外界图像信息的第三光线进入用户的双眼，即避免用户看到外界的真实场景，如图1a所示，可以在透视型导光元件13的与凹面131相背设置的另一表面上镀有或者粘贴有遮光层16；如图1b所示，也可以在头戴框架17上设置用于阻挡包含外界图像信息的第三光线进入用户的双眼的遮光罩171，仅使得显示模块发射的包含左眼虚拟图像信息的第一光线以及包含右眼虚拟图像信息的第二光线进入用户的双眼，在用户的大脑中形成3D虚拟场景的视觉感受，实现虚拟现实的功能。
在本实用新型实施例中，显示模块12包括显示屏，如图1c所示，所述显示屏可以是面型为球面的显示屏18，该显示屏18的球面的曲率半径为正，即显示屏18的发光表面181为凸面；如图1d所示，所述显示屏可以是面型为球面的显示屏19，该显示屏19的球面的曲率半径为负，即显示屏19的发光表面191为凹面；如图1e所示，所述显示屏也可以是面型为柱面的显示屏20，该显示屏20的柱面的曲率半径为正，即显示屏20的发光表面201为外凸的柱面；如图1f所示，所述显示屏也可以是面型为柱面的显示屏21，该显示屏21的柱面的曲率半径为负，即显示屏21的发光表面211为内凹的柱面。
为了实现加载在显示模块发射的第一光线和第二光线中的左眼虚拟图像信息和右眼虚拟图像信息高质量地呈现在用户的双眼视网膜上，两个透视型导光元件的凹面需要能够平衡用户的双眼自带的像差、透视型导光元件倾斜拜访所带来的像差等，基于此，根据四种特殊函数来设计透视型导光元件的凹面，说明如下。
如图2所示，在光学概念中，面型凹陷值是指光学元件表面的不同区域在Z轴方向上距离光学元件表面的中心点O的距离。本实用新型实施例中，光学元件是指透视型导光元件，光学元件表面是指透视型导光元件的凹面，透视型导光元件的凹面的面型凹陷值是sag(x，y)，如图3 所示，透视型导光元件的凹面在XY坐标面上的投影点坐标是(x,y)。
一、透视型导光元件的凹面根据如下幂级数多项式函数设计：
其中，c是所述凹面和/或凸面的基本曲率，k是所述凹面和/或凸面的基本圆锥系数，N是多项式的数量，Ai是第i阶多项式的系数，Ei(x，y)是标准的两个变量(x,y)的二元幂级数多项式。
二、透视型导光元件的凹面根据如下Chebyshev多项式函数设计：
其中，c是所述凹面和/或凸面的基本曲率,N是x方向多项式的数量，M是y方向多项式的数量,aij是第ij阶多项式分部总和的系数，和是将x坐标和y坐标重新定义到[-1,1]区间以后的标准化坐标；
其中，max(|x|)是x绝对值中的最大值，max(|y|)是y绝对值中的最大值。
三、透视型导光元件的凹面根据如下标准Zernike多项式函数设计：
其中，c是所述凹面和/或凸面的基本曲率，k是所述凹面和/或凸面的基本圆锥系数,ai是第i阶非球面变量的系数，N是标准Zernike多项式的数量，ρ和分别是x坐标和y坐标相对应的极坐标，ρ的区间范围是[0，1],的区间范围是[0，2π]，Ai是第i阶多项式的系数，是第i阶标准Zernike多项式。
四、透视型导光元件的凹面根据如下Anamorphic函数设计：
其中，cx是所述凹面和/或凸面在x方向的基本曲率，kx是所述凹面和/或凸面在x方向的基本圆锥系数,cy是所述凹面和/或凸面在y方向的基本曲率，ky是所述凹面和/或凸面在y方向的基本圆锥系数,α4是轴向对称的第4高阶系数，β4是轴向不对称的第4高阶系数，α6是轴向对称的第6高阶系数，β6是轴向不对称的第6高阶系数，α8是轴向对称的第8高阶系数，β8是轴向不对称的第8高阶系数，α10是轴向对称的第10高阶系数，β10是轴向不对称的第10高阶系数。
如图4所示，在上述光学概念中，光学元件是指透视型导光元件，光学元件表面是指透视型导光元件的凸面，透视型导光元件的凸面的面型凹陷值是sag(x，y)，如图3所示，透视型导光元件的凸面在XY坐标面上的投影点坐标是(x,y)，为了保证包含外界图像信息的第三光线进入用户的双眼时，减少受到的干扰，根据上述幂级数多项式函数、Chebyshev多项式函数、标准Zernike多项式函数、Anamorphic函数中任一一种函数来设计透视型导光元件的凸面。
在头戴式显示器实现增强现实的实际应用中，为了增加透视型导光元件的凹面对显示模块发射的第一光线和第二光线的反射率，例如，透视型导光元件的凹面镀有反射膜，较佳的，镀有反射膜的透视型导光元件的凹面的反射率是20％-80％。又如，若第一光线和第二光线是线偏振光，为了增加透视型导光元件的凹面的反射率，透视型导光元件的凹面镀有偏振反射膜，偏振反射膜的偏振方向与第一光线和第二光线的偏振方向之间的角度大于70°且小于等于90°，比如：偏振反射膜的偏振方向与第一光线和第二光线的偏振方向垂直，实现近乎为100％的反射率，另外，由于包含外界图像信息的第三光线是非偏振光，若透视型导光元件的凹面镀有偏振反射膜，当第三光线经由该偏振反射膜时，有近乎50％的第三光线进入用户的双眼，用户仍然能够看到外界的真实场景。为了更好地让包含外界图像信息的第三光线进入用户的双眼，透视型导光元件的凸面镀有增透膜。
由于人眼的生理视场中，不同区域的重要程度不同，为了能够将经由透视型导光元件的凹面反射的第一光线和第二光线进入人眼的生理视场的重要区域，较佳的，如图5所示，显示模块12相对于水平方向的摆放角度一是5°至70°之间的任一角度；第一光线中进入用户的左眼14视场上沿的反射光线521与入射光线522的角度二小于90°；第一光线中进入用户的左眼14视场下沿的反射光线531与入射光线532 的角度三大于35°；第一光线中进入用户的左眼14视场上沿和视场下沿之间的反射光线与入射光线的角度在35°至90°之间。需要说明的是，本领域的技术人员能够根据实际应用的需要，通过调整显示模块12相对于水平方向的摆放角度一以及透视型导光元件13的摆放角度来调节角度二和角度三，以达到最佳效果，提高左眼虚拟图像信息和右眼虚拟图像信息的有效利用率，提升用户体验。
本实用新型实施例提供的一种头戴式显示器，通过两个透视型导光元件的凹面更多地将包含左眼虚拟图像信息的第一光线和包含右眼虚拟图像信息的第二光线分别反射进入用户的双眼，从而在用户的大脑中形成3D虚拟场景的视觉感受，视觉区域较大。
以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种头戴式显示器，其特征在于，包括：
头戴框架，用于佩戴在用户的头部；
两个透视型导光元件，每一所述透视型导光元件具有一凹面，所述凹面朝向用户的双眼设置；经由一所述透视型导光元件的凹面反射的第一光线进入用户的左眼，以及经由另一所述透视型导光元件的凹面反射的第二光线进入用户的右眼，以形成3D虚拟场景的视觉；其中，所述第一光线包含左眼虚拟图像信息，所述第二光线包含右眼虚拟图像信息；
所述凹面的面型凹陷值sag(x，y)满足：
其中，(x,y)是透视型导光元件的凹面在XY坐标面上的投影点坐标，c是所述凹面的基本曲率，k是所述凹面的基本圆锥系数，N是多项式的数量，Ai是第i阶多项式的系数，Ei(x，y)是标准的两个变量(x,y)的二元幂级数多项式；
或者，
其中，(x,y)是透视型导光元件的凹面在XY坐标面上的投影点坐标，c是所述凹面的基本曲率,N是x方向多项式的数量，M是y方向多项式的数量,aij是第ij阶多项式分部总和的系数，和是将x坐标和y坐标重新定义到[-1,1]区间以后的标准化坐标；
其中，max(|x|)是x绝对值中的最大值，max(|y|)是y绝对值中的最大值；
或者，
其中，(x,y)是透视型导光元件的凹面在XY坐标面上的投影点坐标，c是所述凹面的基本曲率，k是所述凹面的基本圆锥系数,αi是第i阶非球面变量的系数，N是标准Zernike多项式的数量，ρ和分别是x坐标和y坐标相对应的极坐标，ρ的区间范围是[0，1],的区间范围是[0，2π]，Ai是第i阶多项式的系数，是第i阶标准Zernike多项式；
或者，
其中，(x,y)是透视型导光元件的凹面在XY坐标面上的投影点坐标，cx是所述凹面在x方向的基本曲率，kx是所述凹面在x方向的基本圆锥系数,cy是所述凹面在y方向的基本曲率，ky是所述凹面在y方向的基本圆锥系数,α4是轴向对称的第4高阶系数，β4是轴向不对称的第4 高阶系数，α6是轴向对称的第6高阶系数，β6是轴向不对称的第6高阶系数，α8是轴向对称的第8高阶系数，β8是轴向不对称的第8高阶系数，α10是轴向对称的第10高阶系数，β10是轴向不对称的第10高阶系数。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，每一所述透视型导光元件还具有一与所述凹面相背设置的凸面；经由每一所述透视型导光元件的凸面和凹面透射的包含外界图像信息的第三光线进入用户的双眼，以形成混合3D虚拟场景和真实场景的视觉。
3.根据权利要求1或2所述的头戴式显示器，其特征在于，所述头戴式显示器还包括显示模块，所述显示模块可拆卸或固定安装于所述头戴框架上，用于发射所述第一光线和第二光线。
4.根据权利要求1或2所述的头戴式显示器，其特征在于，所述透视型导光元件的凹面镀有反射膜。
5.根据权利要求1或2所述的头戴式显示器，其特征在于，所述第一光线和第二光线是线偏振光，所述透视型导光元件的凹面镀有偏振反射膜，所述偏振反射膜的偏振方向与所述第一光线和第二光线的偏振方向之间的角度大于70°。
6.根据权利要求3所述的头戴式显示器，其特征在于，所述透视型导光元件的凸面镀有增透膜。
7.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，每一所述透视型导光元件的与所述凹面相背设置的另一表面上镀有或者粘贴有遮光层。
8.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，所述头戴框架上设置用于阻挡包含外界图像信息的第三光线进入用户的双眼的遮光罩。
9.根据权利要求3所述的头戴式显示器，其特征在于，所述显示模块中显示屏的面型为球面；所述球面的曲率半径为正，或者所述球面的曲率半径为负。
10.根据权利要求3所述的头戴式显示器，其特征在于，所述显示 模块中显示屏的面型为柱面；所述柱面的曲率半径为正，或者所述柱面的曲率半径为负。
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