CN208367337U - 一种ar显示设备 - Google Patents

Abstract

一种AR显示设备，涉及AR显示技术领域，尤其涉及头戴AR显示技术和具有超大可视角的拼接式头戴显示设备。本实用新型公开了一种AR显示设备，包括至少两个微型显示/投影器、至少一个主透镜以及至少两个自由曲面透镜，所述第一所述微型显示/投影器、第一所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第一视场与第二所述微型显示/投影器、第二所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第二视场，拼接组成拼接视场。

Description

一种AR显示设备

技术领域

本实用新型涉及AR增强现实显示技术领域，尤其涉及头戴AR显示技术和具有超大可视角的拼接式显示设备。

背景技术

一个典型的头戴显示设备由微型显示器和光学系统组成，由微型显示器产生的图像经过光学系统的放大后，供用户观察。头戴显示设备中的光学系统为目视光学系统，其在设计过程中必须考虑人眼的实际需求。光学系统的出瞳位置必须与人眼瞳孔位置重合，所以头戴显示设备设计时，主要考虑的参数为出瞳直径(D)、视场角(Fov)和焦距(f)。在头戴显示设备中，为了避免人眼转动使瞳孔与光学系统出瞳值两者失配过多，造成穿戴头戴显示设备的用户晕眩或像面丢失，光学系统的出瞳直径设计值比人眼瞳孔直径大很多，一般穿透式头戴显示器的光学系统出瞳直径的设计值为10—15mm。再者，光学系统的视场角决定了用户对观察图像的沉浸感，较大的视场有较好的用户沉浸感。最后，为了实现头戴显示器的轻便化与小型化，光学系统的焦距设计值必须控制在一定范围内，以保证结构的聚积性。

在头戴显示设备中，微型显示器的分辨率R’与光学系统分辨率R存在如式所述的数学关系：R＝R’/Fov

从上式可以看出，对于头戴显示设备中已经确定分辨率的微型显示器，光学系统的分辨率和视场大小式成反比的，增大光学系统的视场角必然会引起光学系统分辨率的降低。另外，增大视场还会引起光学系统的体积过大，无法实现头戴显示设备的轻便小型化。

为了保证光学系统的分辨率，并同时增大视场角，一种如现有技术(参见程德文，王涌天，华宏。宽视场高分辨率拼接式头盔显示设备，CN102782562A， 2012)公开一种利用多块楔形棱镜进行视场拼接的头盔显示设备视场拼接技术被提出，此视场拼接技术通过将微型显示器的图像分为两部分，并采用双信道或多信道光学系统进行显示，不影响出瞳直径D和焦距f的情况下，以增大光学系统的视场角，可同时实现光学系统的高分辨率和大视场。

但是，该拼接技术实现的头戴显示器的不足之处在于：

其一，采用多棱镜拼接或透镜数组拼接的方法实现多信道显示，只是将单信道的视场进行几何迭加形成多通道，在增大视场的同时引起光学系统尺寸的增大，无法实现头戴显示设备的小型化和轻量化；

其二，采用的多个透镜采用的楔形棱镜包括三个自由曲面的边，所以每个棱镜组成透镜数组时，加工困难，所以增加了加工装配难度，且使用棱镜还有两个镜片的不对称问题、材料挑选问题、制造时的注塑缩水问题、热膨胀问题，胶合问题，以及实心材料构成重量大体积大的问题等等；

其三，视场拼接技术是采用多个透镜对于微型显示器图像进行多次折射和反射才被使用者所观察到，但多次的折射和反射降低了光能利用率；

其四，楔形棱镜对于外部实际光线的多次折射，会造成多色散、色差等等的像变问题，引起用户观察外部真实世界的失真。

实用新型内容

本实用新型在于提供一种通过多个自由透镜(结合对应数量的微显示/投影器的投影)进行位置结构匹配，然后通过主透镜造成视场拼接的视觉效果来扩大可视范围，包括扩大垂直可视角度和水平可视角度。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型提供一种基于AR增强现实技术的头戴显示设备，包括至少两个微型显示/投影器、至少一个主透镜以及至少两个自由曲面透镜，所述第一所述微型显示/投影器、第一所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第一视场与第二所述微型显示/投影器、第二所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第二视场，拼接组成拼接视场。

单眼模式，不限定于人用头戴显示器，即人用单侧头显必须是偏左侧或右侧，供人眼观察使用。单眼模式还有一种情形是主体机构在中间位置，方便给摄像头等图影获取设备使用。

进一步，所述的AR显示设备，第一所述自由曲面透镜与第二所述自由曲面透镜以所述主透镜的光轴为轴，上下对称或者左右对称进行排布。

再进一步，所述的AR显示设备，所述自由曲面透镜的数量为2、4、6或者8个，所述微型显示/投影器为与所述自由曲面透镜的数量对应的2、4、6或者8个，2、4、6或者8个所述自由曲面透镜以所述主透镜的光轴为轴进行轴对称排布，所述微型显示/投影器与对应的所述自由曲面透镜形成影像投射关系。

进一步，即从单眼模式过渡到双眼模式的AR显示设备，所述主透镜的数量为2个，所述自由曲面透镜的数量与所述微型显示/投影器的数量均为所述主透镜数量的2倍。

进一步，所述的AR显示设备，部分所述主透镜、所述自由曲面透镜和所述微型显示/投影器围布形成一个类三角形状，面朝向所述类三角形状的所述主透镜和/或所述自由曲面透镜的一侧表面镀有半反半透膜。

再进一步，所述主透镜和/或所述自由曲面透镜的二侧表面，均镀有半反半透膜。

再进一步，所述的AR显示设备，所述半反半透膜是介质膜、氧化膜、金属膜、氧化金属膜或者合成膜中的一种或几种。

再进一步，所述的AR显示设备，所述半反半透膜的反射率为20～70％。

进一步，所述的AR显示设备，均匀厚度的主透镜的2侧表面满足如下：

其中，c＝1/r0，r0为自由曲面基准面的曲率半径，k为二次曲面系数，r为入射光线的径向坐标，ai为高阶系数，为泽尼克多项式，N为泽尼克多项式的总数，Ai为第i项泽尼克多项式的系数，ρ为归一化的半径坐标，为归一化的角度坐标。

再进一步，所述的拼接式AR显示设备，均匀厚度的第一或者第二所述自由曲面透镜的2侧表面应满足条件方程：

其中，代数Y、Z分别表示某个点在本实用新型之卡式坐标系下的坐标值， b是所述微型显示/投影器发射出所述第一光线的发射点，b2为所述第一光线在所述主透镜的第二表面反射时的交点，b1为所述第一光线在(第一/第二)所述自由曲面透镜的表面反射时的交点；b3为所述第一光线在(第一/第二)所述自由曲面透镜的表面折射时的交点；a是所述微型显示/投影器发射出所述第二光线的发射点，a2为所述第二光线在所述主透镜的第二表面反射时的交点， a1为所述第二光线在(第一/第二)所述由曲面透镜的表面反射时的交点；a3 为所述第二光线在(第一/第二)所述由曲面透镜的表面折射时的交点。

再进一步，第一或者第二所述自由曲面透镜与所述主透镜的光轴的夹角 (夹角α/夹角β)，会影响所述微型显示/投影器投射出的光线与所述主透镜的第二表面形成的夹角θ，微型显示器所有发射出的光线，对应于在主透镜上的第二表面的入射角θ，所述夹角θ的范围应满足如下条件方程，例如图5中的θmi1与θmi2要在一定的角度范围内，才会在主透镜上的第二表面上发生全反射：

其中n’代表主透镜(第一镜片或第二镜片)的折射率。

进一步，所述的AR显示设备，所述主透镜和/或所述自由曲面透镜的材料是玻璃、氧化玻璃或者高分子材料。

进一步，所述的AR显示设备，所述高分子材料包括聚碳酸酯、甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或者尼龙。

进一步，所述的AR显示设备，所述主透镜与所述自由曲面透镜的连接方式是胶合、粘结、机械固连，或者所述主透镜与所述自由曲面透镜一体成型被制造。

进一步，所述的AR显示设备，包括AR(头戴)一体机、数码玻璃镜子、数码玻璃桌子、显示器、智能移动设备(智能手机或PAD)或者可连接智能移动设备(智能手机)的AR头盔等。另外，显示设备包括(微型)显示器或者(微型)投影器。

本实用新型至少具有以下有益效果之一：

1.本实用新型克服了原先多棱镜拼接或透镜数组拼接的头戴显示器，非常笨重不轻巧的问题，佩戴者戴不了多久就会疲劳，儿童佩戴者更是佩戴承重不了；

2.本实用新型克服了原先多棱镜拼接的每个棱镜加工困难，多个棱镜的拼接装备难度也大，制造工艺复杂，制造成本高昂，产品良率低等问题；

3.本实用新型赋予AR拼接显示设备，减少了投射光线的折射次数，可选地涂布半反半透膜，大大提高了光能利用率；

4.本实用新型赋予AR拼接显示设备，同时减少了色散、色差等等的像变问题，减少了用户观察外部真实世界的失真现象；

5、本实用新型提供的AR拼接显示设备，比实体多棱镜拼接的产品重量轻、结构简单，佩戴舒适，扩大可视范围，扩大垂直可视角度和水平可视角度；

6、本实用新型提供的AR拼接显示设备，采用多显示/投影器，可单个被操作显示，所以智能化程度强、可靠性高，同时执行效率高、应用范围广；

7、本实用新型的优点还在于：将现有的拼接/维护有难度的多棱镜拼接，进化成多(高分子)镜片拼接，维护更加方便简洁，成本可控。这样不会因某个棱镜的损坏而造成整个产品的报废，造成资源的浪费，甚至可以在佩戴过程中对自由曲面透镜的角度进行动态调整，这是多棱镜拼接产品做不到的。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

图1(a)表示为头戴显示设备中主要光学组件和显示/投影组件组合前的示意图；

图1(b)表示为头戴显示设备中主要光学组件和显示/投影组件组合后的示意图；

图2表示为头戴显示设备中主要光学组件涂上半反半透膜的优选实施例示意图；

图3(a)表示为头戴显示设备整体外观示意图一；

图3(b)表示为头戴显示设备整体外观示意图二；

图4(a)表示为头戴显示设备中主要光学组件和显示/投影组件组合的部份光路图一；

图4(b)表示为头戴显示设备中主要光学组件和显示/投影组件组合的整体光路图；

图5表示为头戴显示设备中主要光学组件和显示/投影组件组合的部份光路图二；

图6分别表示为多种形式的多视场拼接的示意图。

附图标记说明

TX——头戴显示设备、0——坐标原点、1A——第一镜片、1B——第二镜片、1C——左镜框/架、1D——右镜框/架、1——第一微型显示器、2——第二微型显示器、3——第一(自由曲面)透镜、4——第二(自由曲面)透镜、41——半反半透膜、5——主透镜、51——第一表面、52——第二表面、53——光轴、 E——用户眼睛、R1——第一光线、R2——第二光线、R3——第三光线、R4 ——第四光线、7——焦点、SF——拼接视场。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型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，以下说明和附图对于本实用新型是示例性的，并且不应被理解为限制本实用新型。以下说明描述了众多具体细节以方便对本实用新型理解。然而，在某些实例中，熟知的或常规的细节并未说明，以满足说明书简洁的要求。

为了更清楚地说明本实用新型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，以下说明和附图对于本实用新型是示例性的，并且不应被理解为限制本实用新型。以下说明描述了众多具体细节以方便对本实用新型理解。然而，在某些实例中，熟知的或常规的细节并未说明，以满足说明书简洁的要求。本实用新型的设备 /系统及方法参见下述实施例：

第一实施例

经由本实用新型所提供的拼接式头戴显示设备架构，经由两个自由曲面透镜以及一个自由曲面的主透镜的设置，不但可以使视场增大，更可以减少光在此光学系统架构中折射的次数，减少像差发生。藉由本实用新型所提供的拼接式头戴显示设备架构中，微型显示器所发出的光，不需要经过折射就可以接进入到两个透镜以及一个自由曲面的主透镜构成的组合中，减少了一次折射，因此，可以减少像变的机会。

另外，本实用新型所提供的拼接式头戴显示设备架构中的两个自由曲面透镜以及一个自由曲面的主透镜，可以使用塑胶或高分子材料等制成，这样可使 AR可透视头显光学系统更为轻巧，并减少体积和重量。

另外，本实用新型所提供的拼接式头戴显示设备，使用的制作方法更可以让双眼镜片可以一体成型的完成，用户的双眼视觉之间无任何的接缝，除了抵抗机械应变，更可以将视野扩大，各像素之间也不需要使用拼接即可一体成型的组成。另外，通过本实用新型所提供的拼接式头戴显示设备中的自由曲面半反半透镜以及均厚自由曲面的主透镜的配置，可以消除微型显示/投影器所发出的光在各个方向的像差，使其在各个方向与角度看虚像不会造成像差。

另外，加上本实用新型藉由所提供的半反半透膜，可使光线在特定面上能够全反射，或是半反半透，故具方便性。

于具体实施方式中的说明与说明书附图的标示中所称的坐标系是采用笛卡尔坐标系，即三轴的(X,Y,Z)的正交坐标系，采用右旋坐标系统，三个轴的方向如各个说明书附图所标示。在本实用新型中，将X轴的正向方向称为第一方向，将Y轴的正向方向称为第二方向，将Z轴的正向方向称为第三方向；将Y 轴和Z轴所构成的平面称为第一平面，在此将X轴和Y轴所构成的平面称为第二平面，将X轴和Z轴所构成的平面称为第三平面，坐标轴原点订在第一(自由曲面)透镜3及第二(自由曲面)透镜4的交点，如说明书附图中的编号0所示。

本实用新型的头戴显示设备，单眼侧是包括两个微型显示/投影器、一个主透镜以及两个透镜所构成。图1(a)表示为头戴显示设备中主要光学组件和显示/ 投影组件组合前的示意图所示：本实用新型的头戴显示系统TX包括:主透镜 5、两个透镜第一(自由曲面)透镜3以及第二(自由曲面)透镜4和两个微型显示器，第一微型显示器1与第二微型显示器2。主透镜5具有第一表面51与第二表面52。

在光学的定义上，主透镜5、第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜 4分别是透镜(lens)，用以做为光学镜片使用。此外，在第一平面上(即Y轴和Z 轴所构成的平面)，第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4的表面以及主透镜5的第一表面51/第二表面52都是所谓的自由曲面。

整体观之，主透镜5、第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4可以选择使用光学玻璃(Optic Glass)或是高分子(Polymer)作为材料。而在本实用新型的较佳实施例中，主透镜5、第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4可以选择使用高分子的工程塑料作为材料，例如:甲基丙烯酸甲酯(即压克力,PMMA)或是聚碳酸酯(PC)或是聚丙烯(PP)或是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或是尼龙(Nylon)中的一种。也可以使用例如是包含有高纯度硅、硼、钠、钾、锌、铅、镁、钙、钡等的氧化物的玻璃。

其中，当主透镜5、第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4选择使用甲基丙烯酸甲酯(即压克力,PMMA)或是聚碳酸酯(PC)作为材料时，主透镜5、第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4是通过一预先打造的铸模，将滚烫的液状甲基丙烯酸甲酯材料倒入铸模内，静置一段时间之后，待铸模的温度下降至室温后即完成定型，后续再将凝固的甲基丙烯酸甲酯脱离铸模，就形成了这些透镜。此外，由于第一(自由曲面)透镜3及第二(自由曲面) 透镜4为均厚结构，故在注塑没有缩水，没有复杂的内应力，使得制造良率容易提升，直接及间接地降低装置的制造成本。若是第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4选择使用包含有高纯度硅的玻璃时，会先将一个高10cm、最大表面积为10000cm²的高纯度硅的玻璃板切割成高10cm、长10cm以及宽 5cm的小型玻璃，以供后续磨镜处理。

在本实用新型的具体实施方式中，为了避免第一(自由曲面)透镜3与第二 (自由曲面)透镜4在成像时产生畸变或是球面像差，因此，在一较佳实施方式中，第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4的曲面厚度都是均匀的 (uniform)。在本实用新型的具体实施方式中，第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4曲面的厚度都是1-3mm，最佳是2.5mm。主透镜5的厚度范围是1-3mm，最佳是2.5mm。另外，相较于主透镜5的厚度，第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4的厚度可以忽视不计算，所以，在后续的光学分析上，各种光线通过第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4的折射可以忽视，也就是第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4在第一平面上可以视为一条直线。

第一微型显示器1与第二微型显示器2可以是由液晶类屏幕(例如 LCD,OLED,AMOLED或是LED)、LCOS类屏幕或是CMOS类屏幕等形成。第二微型显示器2屏幕的面积可以是5吋到7吋的范围，最佳的是1.5吋到3 吋的范围，但本实用新型并不加以限制，只要第一微型显示器1与第二微型显示器2与主透镜组装后不碰触及妨碍到第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面) 透镜4即可。

当然用微型投影仪代替微型显示器同样适用。

第一微型显示器1与第二微型显示器2还具有预处理的功能，例如:通过第二微型显示器2的软件，用以控制影像产生的数量，与控制影像中不同像素的放大倍率，以使影像在用户眼睛中的视网膜看到的桶形畸变与梯形畸变被消除，对于这些功能，本实用新型并不加以限制。另外，第一微型显示器1与第二微型显示器2可以集成电路芯片方式，也可以是一大片的芯片的方式形成。再者，微型图像显示器更具有一软件，可调整其对于第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4所发射出的影像内容，例如:放大率以及亮度，以使用户眼睛看到的影像更具有立体感。

接着请参考图1(b)表示为头戴显示设备中主要光学组件和显示/投影组件组合后的示意图。我们将第一(自由曲面)透镜3的一端与第二(自由曲面)透镜4 的一端连接于第一平面上的坐标原点。连接的方式是使用工业胶粘合(胶合)或是机械拼接的方式等。在第一微型显示器1(第二微型显示器2)、第一(自由曲面)透镜3(第二(自由曲面)透镜4)和主透镜5三者围合形成一个类似三角形的空间。

坐标原点是在主透镜5的光轴53上。第一微型显示器1与第二微型显示器2则是彼此分离式的设置于主透镜5的光轴53的两侧、第一表面51的同侧。并且两个微型显示器与光轴53平行设置第一微型显示器1与第二微型显示器2 是分别与第一表面51垂直设置，且第一微型显示器1与第二微型显示器2是线对称的设置，对称轴为光轴53。

相同的，第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4以也是以光轴53 线对称的设置。第一(自由曲面)透镜3与光轴53的夹角α及第二(自由曲面)透镜4光轴53的夹角β是可调的，一般情况下，两夹角设置成相等。

在后续的光学计算上，因为第一(自由曲面)透镜3、第二(自由曲面)透镜4、第一微型显示器1与第二微型显示器2的厚度都是远远小于主透镜5的厚度，所以后续将第一(自由曲面)透镜3、第二(自由曲面)透镜4、第一微型显示器1 与第二微型显示器2都视为一个线段。

第一微型显示器1、第一(自由曲面)透镜3以及第二微型显示器2与第二(自由曲面)透镜4相互对称设置的意义为，可使总视场相当于来自单个显示通道的视场的邻接在一起，补足单个透镜与微型显示器视场的不足。其中单个显示通道形成的视场是由第一微型显示器1(第二微型显示器2)、第一(自由曲面) 透镜3(第二(自由曲面)透镜4)以及主透镜5三者构成的，第二微型显示器2 是用来提供本身所产生的影像(图未示)，并通过第一(自由曲面)透镜3与主透镜5反射到用户眼球的视网膜中成像，以使用户的眼睛可以看到此影像，特别是让用户会看到此影像出现在眼前。

另外，通过本实用新型的头戴显示设备TX，当算上第一(自由曲面)透镜3 与主透镜5的透视效果，还能看到影像与外界影像的叠加成像，即具有虚、实叠加的视觉效果。特别是使用两片均厚的自由曲面透镜的构造，使得外界图像不会倾斜或变形，换句话说，当本系统使用在增强现实(AR)的领域时，可以让影像与外界真实场景达到融合。在本实用新型的具体实施方式中，头戴显示设备TX的实际长度为130-150mm，高度为32-38mm，重量为80-170g，不仅轻且小巧。

本实用新型是使用的透镜的组合来实现虚拟现实成像功能，而背景技术中提及的专利方案则是使用一整块棱镜结构来实现虚拟现实成像的功能，两者间的差异在于，背景技术中的棱镜结构在第一平面上的投影形状是一个梯形，但是在本实用新型中，主透镜5与第一(自由曲面)透镜3、第二(自由曲面)透镜4 在第一平面上形成了V字形的投影。这种设计除了能够节省材料的使用量外，并且也能够有效的降低头戴显示设备TX的整体重量(例如:减少50-80％的重量)，进而降低整体系统的制造成本。

另外，由于两者在结构上不相同，所以造成两者在光路上也不相同，例如: 背景技术的微型图像显示器所发射出的图像光线，需要经过棱镜实体的射入面的一次折射才能进入棱镜结构中，但在本实施例的结构中，如图4(a)，第二微型显示器2所发出的图像光线，不需要经过折射就可以接进入到第二(自由曲面)透镜4，经过其表面的反射再投射到主透镜5上，减少了一次折射，因此，可以减少像变的机会。

此外，第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4为均厚的自由曲面构造，可以缩小第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4之间的距离，以及第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4的厚度，可以有效的缩短光程，进而达到降低畸变及色散的问题。另外，由于第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4为均厚的自由曲面构造，使得外界图像不会倾斜或变形，而这些都是棱镜结构所做不到的。

第二实施例

在实施例一的基础上，如图2表示为头戴显示设备中主要光学组件涂上半反半透膜的优选实施例示意图所示，在本实施例中，半反半透膜41可以采用包括如下的方式实施：

1、半反半透化的介质膜层，可根据用户需要设计反射率，藉由半反半透实现反射成像和透光的目的；

2、半反半透化的金属及氧化金属或合成膜层；

3、对于光有反射及穿透效果的非介质膜层，镀两种不同折射率的膜在第二表面52或是第一表面51上以及第一(自由曲面)透镜3、第二(自由曲面)透镜 4上，例如高折射率的二氧化钛(TiO2)和低折射率的二氧化硅(SiO2)，两种膜第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4上交替着镀，二氧化钛与二氧化硅的膜层数不限制，一般是分别镀两层，膜层的总厚度达137.5nm可产生反射效果；膜层数增加，反射效果增加；

4、有光反射及透射效果的金属及氧化金属或合成膜层，如30～100纳米的铝(Al)膜；

5、有反射及透明效果的金属合金膜层，如30～100纳米的铝钕合金(AlNd) 膜等等。

在本实用新型的另一具体实施方式中，可将半反半透膜41的光透过率(光透过率是材料的光通量的透过比例，即透过材料后的光强度与原始的光强度的比值)控制在10％～70％范围内，反射率(反射率为材料的光通量的反射比例，即经过材料反射后的光强度与原始的光强度的比例)控制在10％～70％范围内，可以达到较好的半反半透效果。当然，将半反半透膜41的透过率、反射率控制在上述范围之外，亦能够实现本实用新型目的，例如:透过率为29％、反射率为71％，同样能够实现本实用新型目的。另外，经过本实用新型的半反半透膜 41的处理，可以将第二微型显示器2发射出来的图像光线反射超过20％的光线亮度至用户眼睛中，而同时外环境光线也有超过20％的光线亮度至用户眼睛中，可以使实现虚拟场景和现实场景合理的清晰的叠加到用户眼睛中。

本实施例的头戴显示器不仅可以应用到虚拟现实(VR)，也可以应用到增强现实(AR)，并为其提供的超大可视角，一般都是在40～60度左右，但本实用新型的头戴显示设备TX通过每个透镜的特殊面型，以及半反半透膜51反射角的控制，即能合理解决离轴光学(光路、球差、彗差、场曲、畸变)补偿，也巧妙的配合横向大视角时的面型和脸型配合，可视角可以达到90～110度，可视面积多出以往一半以上甚至一倍，但重量依然轻(因为中空)。相较于现有技术的产品实心全玻璃所构成的棱镜，重量就会比本实用新型的产品重4-5倍以上，现有技术的产品重量超过一磅，加上其它原件眼镜会接近1公斤。

接着，请参考图2表示为头戴显示设备中主要光学组件涂上半反半透膜的优选实施例示意图。在第二(自由曲面)透镜4与第一(自由曲面)透镜3的表面皆可以选择涂布上一层膜41，此膜称为半反半透膜41。半反半透膜41可增加第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4反射光线的功能，即半反半透膜 41让第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4增加透镜反射的功能，以使用户眼睛能透过本实用新型的头戴显示设备看到由环境光线构成的外界影像出现在眼前。

图2中，微显示器1与主透镜5、第一自由透镜3围合成一个类三角形空间，同样，微显示器2与主透镜5、第二自由透镜4也围合成一个类三角形空间，在主透镜5的第一表面51和第一(自由曲面)透镜3、第二(自由曲面)透镜 4的一侧表面，涂布或镀上半反半透膜41。

实际运作上，主透镜5的第一表面51和/或第二表面52以及第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4的正反表面，视情况涂布或镀上半反半透膜 41。

第三实施例

在实施例一和/或二的基础上，本实施例还提供了，请参考图3(a)表示为头戴显示设备整体外观示意图一。从图3(a)中可以看出，头戴显示设备实体TX 包括两个镜片(即2个主透镜5)，即第一镜片1A与第二镜片1B，设计成两个镜片的原因，是因为人的两眼视觉而设计成的。在本具体实施方式中，第一镜片1A与第二镜片1B亦可是一体成型的形成。头戴显示设备TX还包括左镜架1C与右镜架1D，以供用户佩戴用。佩戴时第一镜片1A与第二镜片1B是相对于用户眼睛的方向，类似于配戴镜式眼镜一样，使的用户眼睛看到的虚像在眼前。

另外，请参考图3(b)表示为头戴显示设备整体外观示意图二，头戴显示设备实体TX包括两个镜片(即2个主透镜5)，即第一镜片1A与第二镜片1B。在本具体实施方式中，第一镜片1A与第二镜片1B亦可是一体成型的形成，头戴显示设备TX还包括左镜框1C与右镜框1D，以供用户佩戴用。

在本实用新型的具体实施方式中，可透视头显光学系统实体架构图的长度为130-150mm，高度为32-38mm，重量为80-170g，不仅轻且小巧。而本实用新型使用一体成型而不使用拼接方式形成的主要原因，除了可以让第一镜片1A 与第二镜片1B的重量较轻，且能减少黏接点，以光学系统强化机械强度外，且更进一步的使影像不会被黏接点遮挡，以增大可视角。另外，微型显示器可以集成电路芯片方式形成。再者，微型显示器更具有一软件，可调整其对于第一镜片1A与第二镜片1B所发射出的影像内容，例如:放大率以及亮度，以使用户眼睛看到的影像更具有立体感。

第四实施例

在实施例一或二或三的基础上，本实施例还公开了，对主透镜5和自由曲面透镜3/4的面型做了具体限制：

均厚自由曲面的主透镜5的2侧表面满足式(1)的描述：

其中，c＝1/r0，r0为自由曲面基准面的曲率半径，k为二次曲面系数，r为入射光线的径向坐标，ai为高阶系数，Zi(ρ，φ)为泽尼克多项式，N为泽尼克多项式的总数，Ai为第i项泽尼克多项式的系数，ρ为归一化的半径坐标，φ为归一化的角度坐标。

在本实施例中，利用泽尼克多项式(Zernike Polynomials)所形成的反射曲面来控制z方向的光焦度，利用第二表面52来消除影像的畸变和场曲。上述的各个参数受到各种不同光路条件下，用以决定每个参数的实际值。

在一较佳实施例中，主透镜5的曲率半径r5(式(1)中的i＝5)可以从3mm到 6mm，而第一(自由曲面)透镜3(式(1)中的i＝3)与第二(自由曲面)透镜4(式(1)中的i＝4)的曲率半径比r3/r4可以从0.5mm到2mm。很有效的，主透镜5的半径 r5与第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4的曲率半径r3/r4的比例可以选择在1:2至1:3之间。

实际运作上，是透过光学模拟软体决定式(1)中在各种条件下的实际数值，以形成确切的第一至第四表面的形状，进而完成第一(自由曲面)透镜3与第二 (自由曲面)透镜4的铸造。

接着，请参考图4(a)表示为头戴显示设备中主要光学组件和显示/投影组件组合的部份光路图一。为了表示方便，本光路图仅采用头戴显示设备TX的单侧图来解说，另一侧同样适用，而且，为了表示方便，我们将第一(自由曲面) 透镜3与第二(自由曲面)透镜4表面上的半反半透膜41不标示在此图中，这是因为半反半透膜41的厚度(um)相较于第一表面51上与第二表面52的厚度(cm) 等级差异高达四个级数(约104)，故可忽略半反半透膜41厚度对于光路的影响，且为了简化图形的复杂度，所以不将半反半透膜41标示于图4(a)中。又因为我们将第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4的厚度差异达两个级数(约102)，所以在光学路径的解释上，我们忽视第一(自由曲面)透镜3与第二(自由曲面)透镜4的厚度，也就是在图4(a)至图4(b)上，第一(自由曲面)透镜3或第二(自由曲面)透镜4在第一平面上的投影视为一个线段。

实际上，请先回到图3(a)，如从+X轴往坐标原点观察第一镜片1A与第二镜片1B，因为两者对称性设置的关系，第一镜片1A与第二镜片1B是呈现重合的影像，如图4(a)所示。又图4(a)中所代表是第一光线R1与第二光线R2的光路线图，其为简化图中的光线，我们将第二微型显示器2的面光源，以最大视场边缘光线(第一光线R1)与最小视场边缘光线(第二光线R2)代表此面光源对于第二(自由曲面)透镜4与主透镜5的在第一平面上的光学行为。且第二微型显示器2发出的影像中的所有光线，在第一平面上的路径必定在第一光线R1与第二光线R2之间。

在本具体实施方式中，仅以图4(a)中头戴显示设备的主透镜5、第二(自由曲面)透镜4和第二微型显示器2三者围合组合为例(主透镜5、第一(自由曲面)透镜3和第一微型显示器1三者围合组合同样适用)，实际光路是由第二微型显示器2发出第一光线R1与第二光线R2后，首先经过第二(自由曲面)透镜 4的反射之后，分3种情况:

第一种情况仅第一表面51涂半反半射膜的，进过第二(自由曲面)透镜4的反射过来的光线直接被再次反射至第二(自由曲面)透镜4，然后透射过第二(自由曲面)透镜4后进入人眼E；

第二种情况第二表面52涂半反半射膜的，进过第二(自由曲面)透镜4的反射过来的光线再通过主透镜5的第一表面51以进入主透镜5之中。再经过主透镜5第二表面52的反射后，使光线再次通过第一表面51以折射出主透镜5。经过主透镜5的折射后，光线才进入用户眼睛E。此时，第二表面52是全反射面，第一表面51是半反半透面。为了达成上面所述的光路径，在光学模拟时，除了需要先符合式(1)，如图4所示，第一光线R1、第二光线R2、第二表面52 与第二(自由曲面)透镜4的表面还应该满足式(2)至式(4)，以确认最后的第二表面52与第二(自由曲面)透镜4的表面的形状：

其中，式(2)至式(4)中的代数Y、Z分别表示某个点在本实用新型之卡式坐标系下的坐标值，而各个下标表示的是各个不同的点，如图4(a)所示，R1 是第一光线，R2为第二光线。其中，b是第二微型显示器2发射出第一光线 R1的发射点，b1为第一光线R1反射时与第二(自由曲面)透镜4的交点，b2为第一光线R1在反射时与第二表面52的交点；b3为第一光线R1折射时与第二 (自由曲面)透镜4的交点，另外，a是微型显示器发射出第二光线R2的发射点， a1为第一光线R1反射时与第二(自由曲面)透镜4的交点，a2为第一光线R1 在反射时与第二表面52的交点；a3为第一光线R1折射时与第二(自由曲面)透镜4的交点。

要特别说明的是，本实用新型的头戴显示设备起始点的边界条件a与b是直接从光源(微型显示/投影器)计算，而背景技术中所涉及的专利方案的起始点的边界条件是由光学系统(棱镜)计算。当起始点的边界条件由光学系统(棱镜)计算时，其计算出的光路与实际光路会有位移现象。而当起始点的边界条件由光源计算时，会使计算出的光路与实际光路较为贴近，因此可以降低色散、畸变。

还有第三种情况，就是第一表面51和第二表面52均涂半反半射膜，也同样适用上述情况。

另外，与主透镜5和微显示器2配合使用的第二(自由曲面)透镜4(第一(自由曲面)透镜3)，其朝向三者围合成的类三角形空间的一侧或者不区分朝向的二侧均可以涂半反半射膜。

此外，本实用新型的头戴显示设备的第一(自由曲面)透镜3及第二(自由曲面)透镜4是透明的，故使用者的眼睛直接透视外界，但棱镜则无法直接透视外界，这是因为棱镜会使光线弯折、畸变、色散、场曲等现象。很明显的，本实用新型使用第一(自由曲面)透镜3及第二(自由曲面)透镜4在结构上、在光路上以及在成像效果上，都是与棱镜结构完全不相同的。

图4(b)表示为头戴显示设备中主要光学组件和显示/投影组件组合的整体光路图。如图4(b)所示，因为在第一平面上，第一微型显示器1及第一(自由曲面)透镜3构成的组合与第二微型显示器2及第二(自由曲面)透镜4构成的组合是对称的设置于光轴53，所以如同图4(b)所示，第一微型显示器1及第一(自由曲面)透镜3构成的第三光线R3、第四光线R4是线对称于第一光线R1与第二光线R2的，对称轴是光轴53。因为第三光线R3、第四光线R4、第二表面 52与第三表面同样满足式(2)至式(4)，所以不需要再次限制第三光线R3与第四光线R4与主透镜5以及第一(自由曲面)透镜3的交点。

第一微型显示器1、第一(自由曲面)透镜3以及主透镜5形成的第三光线 R3与第四光线R4会构成第一视场，而第二微型显示器2、第二(自由曲面)透镜4以及主透镜5会构成第二视场，第一视场与第二视场拼接形成组合视场。最后，用户眼睛E看到组合视场。组合视场相较于传统式头显的单一视场更具有立体感，而且视野较广阔，使用户端佩戴此头戴显示设备时不用限制在单一姿势观看，较具有舒适感。

另外，在本实用新型的另一特色是第一(自由曲面)透镜3、第二(自由曲面) 透镜4与主透镜5的第二表面52分别镀上半反半透膜41成为半透射半反射面后，反射微型显示器所产生的影像时，第一(自由曲面)透镜3将图像的Y轴放大和X轴缩小，及在主透镜5的第二表面52将图像的Y轴放大和X轴放大。进一步的，而在本实用新型的一较佳实施例中，x轴的放大率是最小，例如:7 倍。主透镜5的第二表面52的X轴为负放大率，这样可以抵消所后续第一光线R1与第二光线R2折射出主透镜5与第一(自由曲面)透镜3所带来的畸变和球差问题。而离轴方向通过主透镜5的第二表面52的Y轴和第三表面52的Y 轴，两次离轴修正能减小离轴带来的畸变和球差问题。

第五实施例

在实施例四的基础上，请参考图5表示为头戴显示设备中主要光学组件和显示/投影组件组合的部份光路图二。微型显示器2的所有发射出的光线R1/R2，对于主透镜5上的第二表面52的入射角θ，所述夹角θ的范围应满足如下条件方程，例如图5中的θmi1与θmi2要在临界角的范围内，如式(5)所示，才会在主透镜5上的第二表面52上发生全反射。

其中n’代表主透镜5(第一镜片1A与第二镜片1B)的折射率。

在本实用新型的一个具体实施方式中，如果所用材料折射率n＝1.492，则所有微型显示器发出的光线在主透镜5的第二表面52反射时的入射角必须是 42.2°。

在本实用新型的一具体实施方式，为了控制所有光线都能在第二表面52 上发生全反射，必须控制第一光线R1在第二表面52上的入射角大于42.2°，这样就能控制微型显示器30发出的所有光线在第二表面52上能发生全反射。

另外，为了实现在主透镜5的第二表面52让微型显示器产生的光全反射，除了上述采取控制临界角的手段外，在本实用新型的另一具体实施方式中，也可以选用适当的半反半透膜41材料形成在主透镜5的第二表面52上以达成全反射的条件。且因本具体实施方式中，主透镜5的第二表面52是要让微型显示器产生的光全反射，但主透镜5的第一表面51是要让微型显示器产生的光半反半透，此时主透镜5的第一表面51与第二表面52所采用的半反半透膜41 的材料是不同的。在本具体实施方式中，第一镜片1A与第二镜片1B的所有光线走向都是相对于光轴53是对称的。

但在另一具体实施方式，第一镜片1A上的微型显示器可以不出光，仅有第二镜片1B上的微型显示器出光，或是第二镜片1B上的微型显示器出光强度低于第一镜片1A上的微型显示器，以使第一镜片1A与第二镜片1B光的强度不同，让使用户看起来较具立体感。用户也可经微型显示器所附的软件调整微型显示器的出光强度。

第六实施例

在上述实施例的基础上，本实施例还提供了多种形式的多视场拼接，如图 6分别表示为多种形式的多视场拼接的示意图所示，其中的a-d四图示均为单眼侧的多视场拼接效果图，图中圆形外轮廓只是想表示人眼瞳孔所视的视场边界，但并不是对视场大小和形状做限定，由1个主透镜、若干个自由透镜以及与若干个自由透镜对应数量的微型显示/投射器构成的拼接视场。图6中的a-d 四张图，以下分别以图6(a)-图6(d)指称。

图6(a)为单眼侧上下各SF1/2拼接的拼接视场效果，对应的自由透镜数为 2，对应的微型显示/投射器为2，各组自由透镜数与微型显示/投射器在单眼的上、下位置进行匹配，匹配方式如上述任一实施例中的自由透镜数与微型显示 /投射器的对应匹配方式所述，这个基本的匹配方式同样适用图b/c/d中的光学组件匹配，然后再统一通过主透镜进行视场拼接。其中，上下并非严格意义上的上下平行，满足轴53对称，以满足人眼/摄像头的视场拼接为准。

该单眼侧视场拼接效果同样适用AR显示装置的单眼模式，单眼模式有一种情形是主体光学机构在整体装置的中间位置，方便给摄像头等图影获取设备使用。该单眼模式同样适用图b/c/d所示意的实施例方式。

图6(b)为单眼侧左右各SF1/2拼接的拼接视场效果，对应的自由透镜数为 2，对应的微型显示/投射器为2，各组自由透镜数与微型显示/投射器在单眼的左、右位置(即鼻子的一侧，不跨越鼻子)进行匹配，再统一通过主透镜进行视场拼接。其中，左右并非严格意义上的左右平行，满足轴53对称，以满足人眼/摄像头的视场拼接为准。

图6(c)为单眼侧上下左右各SF1/4拼接的拼接视场效果，对应的自由透镜数为4，对应的微型显示/投射器为4，各组自由透镜数与微型显示/投射器在单眼的上、下、左、右位置进行匹配，再统一通过主透镜进行视场拼接。其中，上、下、左、右并非严格意义上的上、下、左、右平行，满足轴53对称，以满足人眼/摄像头的视场拼接为准。

图6(d)为单眼侧上下左右各SF1/8拼接的拼接视场效果，对应的自由透镜数为8，对应的微型显示/投射器为8，各组自由透镜数与微型显示/投射器在单眼的四周位置排布，并进行匹配，再统一通过主透镜进行视场拼接。其中，各组自由透镜数与微型显示/投射器在单眼的四周位置排布满足轴53对称，以满足人眼/摄像头的视场拼接为准。

另外，双眼侧的视场拼接效果即上述单眼侧拼接视场的排列组合，均未图示，例如左眼侧(鼻子一侧)使用图6(a)模式，而右眼侧(鼻子另一侧)却使用图6(b)模式。其中，主透镜5的数量可以为1或2。主透镜5的数量为1时，是头盔大面罩形式，主透镜5的数量为2时，是眼镜双镜片形式。

头戴显示设备TX采用两片对称的小直径的透镜对各自对应的微型显示器产生的图像分别在各自显示通道进行放大成像，可实现人眼瞳孔处的视场拼接，在不影响头戴显示装置的分辨率，通过缩小了微型显示器的面积以增了视场。另外，头戴显示装置包括的光学组件少、请仅经过两次反射，光能损耗低，所以可提高头戴显示装置的光能利用率。

另外，头戴显示设备采用两片对称的小口径自由曲面半透半反镜拼接，相对于传统的棱镜拼接或透镜系统拼接法，降低了加工制造成本，而且，两个显示通道在空间进行拼接/叠加，有效利用空间，使头戴显示装置的结构紧促，有利于实现头戴显示装置的小型化，且利用透镜不会引入球差的优点，提高了光学系统的成像质量。因此，此头戴显示装置可应用于增强现实头戴显示领域。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (11)

1.一种AR显示设备，包括至少两个微型显示/投影器、至少一个主透镜以及至少两个自由曲面透镜，其特征在于，第一所述微型显示/投影器、第一所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第一视场与第二所述微型显示/投影器、第二所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第二视场，拼接组成拼接视场。

2.如权利要求1所述的AR显示设备，其特征在于，第一所述自由曲面透镜与第二所述自由曲面透镜以所述主透镜的光轴为轴，上下对称或者左右对称进行排布。

3.如权利要求2所述的AR显示设备，其特征在于，所述自由曲面透镜的数量为2、4、6或者8个，所述微型显示/投影器为与之数量对应的2、4、6或者8个，2、4、6或者8个所述自由曲面透镜以所述主透镜的光轴为轴进行轴对称排布，所述微型显示/投影器与对应的所述自由曲面透镜形成影像投射关系。

4.如权利要求1至3中任一所述的AR显示设备，其特征在于，所述主透镜的数量为2个，所述自由曲面透镜的数量与所述微型显示/投影器的数量均为所述主透镜数量的2倍。

5.如权利要求1至3中任一所述的AR显示设备，其特征在于，部分所述主透镜、所述自由曲面透镜和所述微型显示/投影器围布形成一个类三角形状，面朝向所述类三角形状的所述主透镜或者所述自由曲面透镜的一侧镀有半反半透膜。

6.如权利要求5所述的AR显示设备，其特征在于，所述半反半透膜的反射率为20～70％。

7.如权利要求1至3中任一所述的AR显示设备，其特征在于，均厚的所述主透镜的表面满足如下：

其中，c＝1/r0，r0为自由曲面基准面的曲率半径，k为二次曲面系数，r为入射光线的径向坐标，ai为高阶系数，Zi为泽尼克多项式，N为泽尼克多项式的总数，Ai为第i项泽尼克多项式的系数，ρ为归一化的半径坐标，为归一化的角度坐标。

8.如权利要求7所述的AR显示设备，其特征在于，均厚的所述自由曲面透镜的表面应满足条件方程：

其中，代数Y、Z分别表示某个点在本实用新型之卡式坐标系下的坐标值，b是所述微型显示/投影器发射出第一光线的发射点，b2为所述第一光线在所述主透镜的第二表面反射时的交点，b1为所述第一光线在所述自由曲面透镜的表面反射时的交点；b3为所述第一光线在所述自由曲面透镜的表面折射时的交点；a是所述微型显示/投影器发射出第二光线的发射点，a2为所述第二光线在所述主透镜的第二表面反射时的交点，a1为所述第二光线在所述由曲面透镜的表面反射时的交点；a3为所述第二光线在所述由曲面透镜的表面折射时的交点。

9.如权利要求7所述的AR显示设备，其特征在于，第一或者第二所述自由曲面透镜与所述主透镜的光轴的夹角，会影响所述微型显示/投影器投射出的光线与所述主透镜的第二表面形成的夹角θ，所述夹角θ的范围应满足条件方程：

其中n’代表所述主透镜的折射率。

10.如权利要求1至3中任一所述的AR显示设备，其特征在于，所述主透镜与所述自由曲面透镜的连接方式是胶合、粘结、机械固连，或者所述主透镜与所述自由曲面透镜一体成型被制造。

11.如权利要求1至3中任一所述的AR显示设备，其特征在于，所述AR显示设备，包括AR一体机、数码玻璃镜面、数码玻璃桌面、显示器、智能移动设备，或者可连接所述智能移动设备的AR头盔。