CN105700145A - 一种头戴式图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种头戴式图像显示装置，包括：通光区域、位于通光区域内的图像显示器、开设有小孔阵列的第一半透半反镜、第一光学元件和第二光学元件；其中，图像显示器显示的图像信号经第一半透半反镜反射后形成第一4D光场，图像显示器显示的图像信号经第一半透半反镜的小孔阵列衍射后形成第二4D光场，第一4D光场经第一光学元件反射入佩戴者的一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第一立体虚像，第二4D光场经第二光学元件处理后反射入佩戴者的另一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第二立体虚像；其中，第一立体虚像和第二立体虚像重合。本发明的头戴式图像显示装置仅需要一个图像显示器件，制造成本低、轻薄便携，且能够实现立体投影显示。

Description

一种头戴式图像显示装置
技术领域
本发明涉及立体显示技术领域，尤其涉及一种头戴式图像显示装置。
背景技术
随着科学技术的发展，头戴式显示装置的应用越来越广泛。在应用于增强现实显示技术中时，需要头戴式显示装置具有较高的透明度和较大的视场角，并且不对外界进入人眼的光线产生偏折。
现有技术中的头戴式显示装置，例如采用全息光栅和光波导的技术设计的头戴式显示装置，制作工艺复杂、成本高、存在色散，且视场角较小；采用的Waveguideswithmicroreflector技术实现透视效果显示器，制作难度大、成本高、视场有限；采用基于微透镜阵列的集成显示技术制作的智能眼镜分辨率低、像差大、不具有***；利用双投影设备+双凹面镜结构实现透视效果的智能眼镜，成像面的位置固定、不具备调焦的功能，且成本较高、设备较厚重。
综上，如何控制成本加工制造透明度和视场角均满足需求的头戴式显示装置是增强现实显示技术领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种头戴式图像显示装置，解决了现有技术中头戴式显示装置制造成本高，且视场角较小的问题。
依据本发明的一个方面，提供了一种头戴式图像显示装置，包括：通光区域、位于通光区域内的图像显示器、开设有小孔阵列的第一半透半反镜、第一光学元件和第二光学元件；其中，图像显示器显示的图像信号经第一半透半反镜反射后形成第一4D光场，图像显示器显示的图像信号经第一半透半反镜的小孔阵列衍射后形成第二4D光场，第一4D光场经第一光学元件反射入佩戴者的一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第一立体虚像，第二4D光场经第二光学元件处理后反射入佩戴者的另一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第二立体虚像；其中，第一立体虚像和第二立体虚像重合。
其中，该头戴式图像显示装置还包括第三光学元件，图像显示器显示的图像信号经第三光学元件反射后形成一倒立实像，第一半透半反镜对倒立实像处理后形成第一4D光场和第二4D光场。
其中，第一光学元件包括第二半透半反镜，第二半透半反镜将经第一半透半反镜反射形成的第一4D光场反射至佩戴者的一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第一立体虚像。
其中，第一光学元件包括第三半透半反镜和平面镜；其中，第一半透半反镜的小孔阵列衍射形成的第二4D光场经平面镜反射后，再经第三半透半反镜反射入佩戴者的另一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第二立体虚像。
其中，通光区域包括相互连通且呈一定角度的第一通光区域和第二通光区域；其中，在第一通光区域和第二通光区域的连接处设置有第三光学元件，第三光学元件包括全反射的凹面镜，图像显示器位于第一通光区域内，第一半透半反镜、第一光学元件和第二光学元件均位于第二通光区域内；图像显示器显示的图像信号经过凹面镜反射后在第二通光区域内形成一倒立实像。
其中，凹面镜的成像公式为：
1 a + 1 b = 1 f a
式中，a表示凹面镜与图像显示器之间的距离，b表示凹面镜与倒立实像之间的距离，fa表示凹面镜的焦距；其中，图像显示器位于凹面镜两倍焦距处或两倍焦距外。
本发明的实施例的有益效果是：
本发明的头戴式图像显示装置的图像显示器显示的图像信号通过开设有小孔阵列的第一半透半反镜反射后形成第一4D光场，图像显示器显示的图像信号经第一半透半反镜的小孔阵列衍射后形成第二4D光场，并分别投射至佩戴者的双眼中，以在佩戴者的视线前方形成放大的立体虚像，该装置仅需要一个图像显示器件，制造成本低、轻薄便携，且能够实现立体投影显示。
附图说明
图1表示本发明的头戴式图像显示装置的结构示意图；
图2表示本发明的头戴式图像显示装置的成像原理示意图；
图3表示本发明的头戴式图像显示装置的右眼成像原理示意图；
图4表示本发明的头戴式图像显示装置的左眼成像原理示意图。
其中图中：1、通光区域，2、图像显示器，3、第一半透半反镜，4、第一光学元件，5、第二光学元件，6、第三光学元件；
31、小孔阵列；
41、第二半透半反镜；
51、第三半透半反镜，52、平面镜；
61、凹面镜；
101、第一立体虚像，102、第二立体虚像；
201、第一4D光场，202、第二4D光场。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例
如图1至图4所示，本发明的实施例提供了一种头戴式图像显示装置，包括：通光区域1、以及位于通光区域1内的图像显示器2、开设有小孔阵列的第一半透半反镜3、第一光学元件4和第二光学元件5；其中，图像显示器2显示的图像信号经第一半透半反镜3反射后形成第一4D光场201，图像显示器2显示的图像信号经第一半透半反镜3的小孔阵列31衍射后形成第二4D光场202，第一光学元件4将第一4D光场201反射入佩戴者的一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第一立体虚像101，第二光学元件5对第二4D光场202处理后反射入佩戴者的另一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第二立体虚像102；其中，第一立体虚像101和第二立体虚像102完全重合。
其中，图像显示器2显示的图像信号分别经过开设有小孔阵列的第一半透半反镜3、第一光学元件4和第二光学元件5后投射入佩戴者的左眼和右眼，并在佩戴者的视线前方形成虚拟的立体图像。其中，该头戴式图像显示装置的通光区域1可以是空心的自由空间，也可以是实心的透明材料，可以做到非常轻薄。当然，如果将其应用于非透视效果的VR显示领域，可以对通光区域1的外侧表面做不透明处理，以达到最佳的沉浸感体验。图像显示器2为微型显示屏幕，主要用于投放和显示图像或视频信息，例如微型投影仪、激光、LED屏、DMD等显示装置。该头戴式图像显示装置的图像显示器显示的图像信号通过开设有小孔阵列的第一半透半反镜反射后形成第一4D光场，图像显示器显示的图像信号经第一半透半反镜的小孔阵列衍射后形成第二4D光场，并分别投射至佩戴者的双眼中，以在佩戴者的视线前方形成放大的立体虚像，该装置仅需要一个图像显示器件，制造成本低、轻薄便携，且能够实现立体投影显示。其中，第一半透半反镜3上设置有二维方向的小孔阵列31，小孔阵列31的每个小孔对应于图像显示器2的每个像素点。
进一步地，如图1至图4所示，光学组件还包括第三光学元件6，图像显示器2显示的图像信号经第三光学元件6反射后形成倒立实像103，第一半透半反镜3对倒立实像103处理后形成第一4D光场201和第二4D光场202。
进一步地，通光区域1包括相互连通且呈一定角度的第一通光区域和第二通光区域；其中，在第一通光区域和第二通光区域的连接处设置有第三光学元件6，第三光学元件6包括全反射的凹面镜61，图像显示器2位于第一通光区域内，第一半透半反镜3、第一光学元件4和第二光学元件5均位于第二通光区域内；图像显示器2显示的图像信号经过凹面镜61的反射在第二通光区域内形成一倒立实像103。此外，第三光学元件6除了可以是凹面镜结构，可一个是平面反射镜、具有固定焦距的球面反射镜、电控调焦的可变形镜或是平面反射镜和变焦透镜的组合元件，只要是能够实现光束转向、扩束、成像功能的组合透镜、变焦透镜或变焦反射镜均可作为第三光学元件6的具体结构形态。
其中，第一光学元件4包括第二半透半反镜41，第二半透半反镜41将经第一半透半反镜3反射形成的第一4D光场201反射至佩戴者的一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第一立体虚像101。
其中，第二光学元件5包括第三半透半反镜51和平面镜52；其中，平面镜52将经第一半透半反镜3的小孔阵列衍射形成的第二4D光场202反射，第三半透半反镜51将第二4D光场202反射入佩戴者的另一只眼中，并在佩戴者的视线前方形成第二立体虚像102。其中，根据具体应用场景不同，第二半透半反镜41和第三半透半反镜51可以是玻璃材料、聚合物材料、膜结构、集成在光学晶体中的光栅结构等，其的位置可根据佩戴者瞳距值调节。
下面将结合附图对光线传播和成像过程做进一步地说明。如图1至图4所示，图像显示器2加载播放的图像信号并显示，在通光区域1内传输，在第三光学元件6(凹面镜61)的反射作用下，形成一倒立实像103，其中，成像公式满足凹面镜成像原理，具体为：
1 a + 1 b = 1 f a
式中，a表示凹面镜61与图像显示器2之间的距离，b表示凹面镜61与倒立实像103之间的距离，即成像的像距，fa表示凹面镜61的焦距；其中，图像显示器2位于凹面镜61两倍焦距处或两倍焦距外，这样可形成倒立等大或倒立缩小的倒立实像103。其中，当改变凹面镜61的焦距fa时，会改变像距b，进而改变倒立实像103与第一半透半反镜3之间的距离c，最终导致倒立实像103靠近或远离小孔阵列31。倒立实像103与第一半透半反镜3的距离决定了整个装置的视场角，距离越小，视场角越大，通过调节凹面镜61的焦距以及图像显示器2的位置，可以实现大视场角的需求。
如图3所示，在通光区域1形成倒立实像103后，光束继续射入第一半透半反镜3上，这时一部分光线发生反射，一部分光线通过小孔阵列31发生衍射，图3所示为反射光成像过程，倒立实像103的光线经第一半透半反镜3反射后，由于第一半透半反镜3上具有小孔阵列31，所以在第一半透半反镜3的反射作用下，在其右侧形成第一4D光场201，光线经第一半透半反镜3反射后将光线射入第二半透半反镜41，经第二半透半反镜41的反射作用后进入佩戴者右眼，从而在佩戴者的视线前方形成第一立体虚像101。
如图4所示，在通光区域1形成倒立实像103后，光束继续射入第一半透半反镜3上，这时一部分光线发生反射，一部分光线通过小孔阵列31发生衍射，图4为衍射光成像过程，倒立实像103的光线经小孔阵列31衍射后发散，在其左侧形成第二4D光场202，再经过平面镜52反射，在平面镜52的左侧形成与第二4D光场202方向相反的4D光场，再经第三半透半反镜51的反射作用后进入佩戴者左眼，从而在佩戴者的视线前方形成第二立体虚像102。
如图3和图4所示，为了保证左眼和右眼所观看到的立体虚像完全重合避免晕眩感，即需要保证第一立体虚像101和第二立体虚像102大小相等，则需要第一立体虚像101和第二立体虚像102的像距相等，即进入双眼的光路距离相等。
综上，该头戴式图像显示装置的图像显示器2显示的图像信号在通光区域1内通过开设有小孔阵列31的第一半透半反镜3反射后形成第一4D光场201，图像显示器2显示的图像信号经第一半透半反镜3的小孔阵列31衍射后形成第二4D光场202，并分别投射至佩戴者的双眼中，以在佩戴者的视线前方形成放大的立体虚像，该装置仅需要一个图像显示器件，制造成本低、轻薄便携，且能够实现立体投影显示。此外需要指出的是，该头戴式图像显示装置可以做成头盔式外观，亦可做成框架眼镜式外观。
以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种头戴式图像显示装置，其特征在于，包括：通光区域、位于所述通光区域内的图像显示器、开设有小孔阵列的第一半透半反镜、第一光学元件和第二光学元件；其中，所述图像显示器显示的图像信号经所述第一半透半反镜反射后形成第一4D光场，所述图像显示器显示的图像信号经所述第一半透半反镜的小孔阵列衍射后形成第二4D光场，所述第一4D光场经所述第一光学元件反射入佩戴者的一只眼中，并在所述佩戴者的视线前方形成第一立体虚像，所述第二4D光场经所述第二光学元件处理后反射入所述佩戴者的另一只眼中，并在所述佩戴者的视线前方形成第二立体虚像；其中，所述第一立体虚像和所述第二立体虚像重合。
2.根据权利要求1所述的头戴式图像显示装置，其特征在于，所述头戴式图像显示装置还包括第三光学元件，所述图像显示器显示的图像信号经所述第三光学元件反射后形成一倒立实像，所述第一半透半反镜对所述倒立实像处理后形成第一4D光场和第二4D光场。
3.根据权利要求2所述的头戴式图像显示装置，其特征在于，所述第一光学元件包括第二半透半反镜，所述第二半透半反镜将经所述第一半透半反镜反射形成的第一4D光场反射至佩戴者的一只眼中，并在所述佩戴者的视线前方形成第一立体虚像。
4.根据权利要求3所述的头戴式图像显示装置，其特征在于，所述第一光学元件包括第三半透半反镜和平面镜；其中，所述第一半透半反镜的小孔阵列衍射形成的第二4D光场经所述平面镜反射后，再经所述第三半透半反镜反射入所述佩戴者的另一只眼中，并在所述佩戴者的视线前方形成第二立体虚像。
5.根据权利要求4所述的头戴式图像显示装置，其特征在于，所述通光区域包括相互连通且呈一定角度的第一通光区域和第二通光区域；其中，在所述第一通光区域和所述第二通光区域的连接处设置有第三光学元件，所述第三光学元件包括全反射的凹面镜，所述图像显示器位于所述第一通光区域内，所述第一半透半反镜、所述第一光学元件和所述第二光学元件均位于所述第二通光区域内；所述图像显示器显示的图像信号经过所述凹面镜反射后在所述第二通光区域内形成一倒立实像。
6.根据权利要求5所述的头戴式图像显示装置，其特征在于，所述凹面镜的成像公式为：
1 a + 1 b = 1 f a
式中，a表示所述凹面镜与所述图像显示器之间的距离，b表示所述凹面镜与所述倒立实像之间的距离，fa表示所述凹面镜的焦距；
其中，所述图像显示器位于所述凹面镜两倍焦距处或两倍焦距外。
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