CN107436492A - 一种头戴式2d显示设备及显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种头戴式2D显示设备及显示方法，所述头戴式2D显示设备包括用于将显示部分固定于佩戴者头部的佩戴部分和用于给佩戴者提供视觉体验的显示部分，所述显示部分包括显示单元和光学单元，所述光学单元包括分光模块，所述分光模块对显示图像进行分光，在不损失分辨率的情况下将显示图像分别投射至使用者的左眼和右眼，使用者在近距离观看显示设备时可以获得良好的视觉效果，单眼就能达到高清分辨率，具有分辨率高、成本低廉，私密性好，佩戴、携带方便的优点。

Description

一种头戴式2D显示设备及显示方法

技术领域

本发明涉及显示装置技术领域，尤其涉及一种头戴式2D显示设备及显示方法。

背景技术

近年来，随着VR、AR等技术的迅速发展，头戴式显示设备因其具备3D效果而被越来越多的人所接受。现有的头戴式显示设备自带显示屏或借用手机显示屏，将显示屏一分为二，左眼看左眼的图像，右眼看右眼的图像，互不干涉，人脑再把左右眼获取的图像合成3D图像，将显示屏显示的图像呈现出立体效果供佩戴者观看。这种分屏的方式使每只眼睛获取的图像分辨率最多仅能达到显示屏分辨率的一半。呈现立体效果的前提是显示屏的片源为3D片源，但实际上3D片源数量极少，使用者多数时间都用其观看2D片源，而观看2D片源同样需要将显示屏进行分屏，获得的图像分辨率降为显示屏分辨率的一半，同时，由于2D片源分屏后左眼、右眼看到的图像无视差，人脑不能合成3D图像效果，故采用现有的头戴式显示设备观看2D片源时存在既不能获得3D效果，又损失了一半分辨率的问题，严重影响了使用者的体验感。为解决该问题，部分头戴式显示设备采用两个独立的显示屏，但再增加一个显示屏还需要额外增加昂贵的电学设备，成本大幅提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种头戴式2D显示设备及显示方法，解决当前头戴式显示设备观看2D图像分辨率差以及成本偏高的问题，通过智能手机屏或其他移动显示设备或直接驱动的显示屏，在观看时也可以取得良好视觉效果，单眼就能达到高清分辨率，具有分辨率高、成本低廉，私密性好，佩戴、携带方便的优点。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种头戴式2D显示设备，包括用于将显示部分固定于佩戴者头部的佩戴部分和用于给佩戴者提供视觉体验的显示部分，所述显示部分包括显示单元和光学单元；

所述显示单元用于生成显示图像；

所述光学单元包括分光模块，用于对显示图像进行分光，将显示图像分别投射至使用者的左眼和右眼。

特别地，所述分光模块包括半反半透镜、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，所述分光模块的光路为：所述显示单元生成的显示图像一路经半反半透镜反射后再经第一反射镜反射至使用者的一只眼睛，另一路经半反半透镜透射后再依次经第二反射镜和第三反射镜反射至使用者的另一只眼睛。

特别地，所述第一反射镜与半反半透镜之间距离可调，所述第二反射镜和第三反射镜之间距离可调。

特别地，所述分光模块还包括光学放大器件，所述光学放大器件用于将显示图像分光后获得的图像进行放大后再投射至使用者的左眼和右眼。

特别地，所述光学单元还包括缩小模块，所述缩小模块用于生成显示图像的虚像，所述显示图像的虚像小于显示图像，显示图像经缩小模块后再进行分光。

特别地，所述缩小模块包括第四反射镜和光学缩小器件，所述缩小模块的光路为：显示单元生成的显示图像经第四反射镜反射至光学缩小器件后再通过分光模块进行分光。

特别地，所述缩小模块还包括第五反射镜，所述显示单元生成的显示图像经第四反射镜反射后，再经第五反射透镜反射至光学缩小器件。

一种头戴式2D显示设备的显示方法，包括以下步骤：

S1、显示单元生成显示图像；

S3、分光模块对显示图像进行分光，将显示图像分别投射至使用者的左眼和右眼。

特别地，所述步骤S3具体为：显示图像一路经半反半透镜进行反射后再经第一反射镜反射至使用者的一只眼睛，另一路经半反半透镜进行透射后再依次经第二反射镜和第三发射镜反射至使用者的另一只眼睛。

特别地，所述显示图像分光后获得的图像进行放大后再投射至使用者的左眼和右眼。

特别地，所述步骤S1和步骤S3之间还包括S2步骤：

S2、缩小模块将显示图像缩小，缩小后的显示图像经步骤S3进行分光。

特别地，所述步骤S2具体为：显示图像经第四反射镜反射至光学缩小器件后再通过分光模块进行分光。

特别地，所述显示图像经第四反射镜反射后，再经第五反射镜反射至光学缩小器件后经分光模块进行分光。

本发明提出了一种头戴式2D显示设备及显示方法，与现有技术相比的有益效果为：通过分光处理，将显示设备生成的显示图像进行分光，将显示图像分别投射至使用者的左眼和右眼，使用者在近距离观看显示设备时可以获得良好的视觉效果，单眼就能达到高清分辨率，具有分辨率高、成本低廉，私密性好，佩戴、携带方便的优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例1提供的使用者眼睛直接观看显示画面示意图。

图2为本发明实施例1提供的使用者眼睛观看分光后的画面示意图。

图3为本发明实施例1提供的α＝45°，β＝90°时分光模块结构图。

图4为本发明实施例1提供的α＝30°，β＝75°时分光模块结构图。

图5为本发明实施例2提供的缩小模块结构图。

图6为本发明实施例2提供的缩小模块+分光模块示意图。

图7为缩小模块+反射模块+分光模块示意图。

图8为本发明实施例3提供的头戴式2D显示设备的显示方法流程图。

图中：1-显示单元，2-半反半透镜，3-第一反射镜，4-第二反射镜，5-第三反射镜，6-光学放大器件，7-第四反射镜，8-第五反射镜，9-光学缩小器件，10-第六反射镜，11-第七反射镜

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例公开了一种头戴式2D显示设备，包括显示部分和佩戴部分。所述显示部分给佩戴者提供视觉体验，具体包括显示单元和光学单元。所述佩戴部分将显示部分固定于佩戴者头部。所述佩戴部分佩戴于使用者头部，显示单元***佩戴部分，设置于人眼前方，光学单元设置于显示单元与人眼之间。

本实施例所述显示单元生成显示图像，其优选实施方式为所述显示单元采用手机或其他移动显示设备或直接驱动的显示屏。

本实施例所述光学单元将显示单元生成的显示图像进行分光，将显示图像分别投射至使用者的左眼和右眼，左右眼瞳孔的中心分别正对分光后获得的图像的中心。现有的头戴式显示设备为了保证观影的私密性和佩戴的舒适性，显示单元距离使用者眼部通常只有几厘米，但是受人体眼部结构的限制，大多数人对于距离15厘米内的物体调焦，人眼就有不舒适的感觉。故显示单元距离使用者眼部过近将导致使用者无法通过眼睛很舒适地观看显示画面。如图1所示，图1为本发明实施例1提供的使用者眼部直接观看显示画面示意图，当人眼直接观看显示画面时，显示画面与左眼的连线L1，以及显示画面与右眼的连线L2之间存在夹角γ，当γ＝0时，显示屏与人眼的距离无穷远，此时使用者体验感最佳。随着显示画面距离人眼越来越近，夹角γ越来越大，当显示画面与人眼的距离小于15厘米或更小，夹角γ达到一定数值时，使用者无法很舒适地观看显示画面。故若想使用者可以舒适的观看显示画面，通常显示画面与人眼距离大于15厘米。但显示画面与人眼的距离15厘米或以上时，头戴式显示设备尺寸过大，影响佩戴的舒适性。为解决该技术问题，本实施例在显示单元和使用者眼部之间设置分光模块，将显示图像进行分光，将显示图像分别投射至使用者的左眼和右眼，让人的左眼和右眼都同时对准显示图像，实现人的左、右眼各看各的图像，互不干扰，人脑对进入左、右眼的图像进行合成后会变成一张图像。如图2所示，图2为本发明实施例1提供的使用者眼部观看分光后的画面示意图，分光后获得的第一显示画面与左眼的连线L3，以及分光后获得的第二显示画面与右眼的连线L4之间的夹角为0，显示画面与人眼的距离无穷远，使用者体验感比较好，眼睛不容易疲劳。同时，对显示图像进行分光后获得的图像分辨率没有损失，单眼即可获得高清分辨率。

本实施例的优选实施方式为所述分光模块包括半反半透镜2、第一反射镜3、第二反射镜4和第三反射镜5，其中，所述半反半透镜2与显示单元1夹角α＝45°，所述第一反射镜3与半反半透镜2平行安装，所述第二反射镜4与半反半透镜2之间夹角β＝90°，所述第三反射镜5与第二反射镜4平行安装。如图3所示，图3为本发明实施例1提供的α＝45°，β＝90°时分光模块结构图。显示单元1生成的显示图像一路经半反半透镜2进行反射后再经第一反射镜3反射至使用者的左眼，显示图像的另一路经半反半透镜2进行透射后再依次经第二反射镜4和第三发射镜5反射至使用者的右眼，从而实现分光，使用者的左、右眼瞳孔均可对准显示图像的中心点，观看显示图像比较舒适。

需要说明的是，由本实施例中分光模块的具体结构可知，显示画面中心点经分光模块分光后的两个投射点之间的距离D与第一反射镜3与半反半透镜2之间的安装距离d1，以及第三反射镜5与第二反射镜4之间的安装距离d2有关，D＝d1+d2。针对不同使用者左、右眼瞳孔间距不同，为保证分光后的两个投射点分别可以投入使用者的左眼和右眼，可将半反半透镜2和第二反射镜4设置为固定，将第一反射镜3和第三反射镜5设为可平移，使用者在使用过程中，可以根据观影效果，适当移动第一反射镜3和第三反射镜5，调整第一反射镜3与半反半透镜2之间的安装距离d1和第三反射镜5与第二反射镜4之间的安装距离d2，从而调整两个投射点之间的距离D和使用者的瞳距相等，实现两个投射点分别可以投入使用者的左眼和右眼，获得最佳视觉效果。同时，根据光学透射和反射原理，显示图像经分光模块后成像位置与显示单元所处位置相比较，处于进一步远离人眼的位置，可以避免距离过近导致人眼无法调焦，不能看清显示画面的问题。

为进一步获得好的视觉效果，本实施例的优选实施方式为所述分光模块还包括光学放大器件6，所述光学放大器件6分别设置于第一反射镜3与使用者眼部之间、以及第三反射镜5与使用者眼部之间，将显示图像进行分光后获得的图像进行放大后再投射至使用者的左眼和右眼。

本实施例的优选实施方式为所述光学放大器件6采用凸透镜。

需要说明的是，所述分光模块只要满足以下光路：显示图像一路经半反半透镜反射后再经第一反射镜反射至使用者的一只眼睛，另一路经半反半透镜透射后再依次经第二反射镜和第三反射镜反射至使用者的另一只眼睛，则半反半透镜2与显示单元1之间的夹角α、以及第二反射镜4与半反半透镜2之间的夹角β可以任意设置，以及第一反射镜与半反半透镜之间的夹角、第二反射镜与第三反射镜之间的夹角也可以任意设置，均能保证显示图像经分光模块分光后可垂直进入人眼。如图4所示，图4为本发明实施例1提供的α＝30°，β＝75°时分光模块结构图,与α＝45°，β＝90°时同理，也可以通过移动第一反射镜3和第三反射镜5，调整第一反射镜3与半反半透镜2之间的安装距离d1和第三反射镜5与第二反射镜4之间的安装距离d2，从而调整两个投射点之间的距离D和使用者的瞳距相等，实现两个投射点分别可以投入使用者的左眼和右眼，获得最佳视觉效果。

需要说明的是，本发明利用人脑能对进入左右眼的图像进行处理，最后在人眼的正前方合成一幅巨幕的图像。为了达到理想的观看效果，进入左、右眼的两图像中心点的距离要与使用者两瞳孔间的距离(瞳距)匹配，即瞳距大的使用者，两图像中心点的距离应该适当加大，反之亦然。同时，左右眼前的两幅图像到对应眼睛的瞳孔的距离要相等，即光程相等。本发明通过对显示屏、反射镜和半反半透镜的位置及它们相互间的夹角的调整来达到瞳距匹配和光程相等这两项要求。

本实施例的优选实施方式为所述显示图像的大小为使用者瞳孔距离的一半，从而保证使用者的左、右眼均可对准显示图像的中心点，获得好的视觉效果。

实施例2

对于尺寸较小的显示屏(显示屏在两眼瞳孔连线方向的尺寸不超过40毫米)，可以选择采用实施例1所述通过分光模块直接进行分光处理，但由于当前的移动显示设备比较大，市面上用的比较多的移动显示设备尺寸较多的集中在4.7-6英寸的屏，此时若采用实施例1所述方式，仅通过分光模块对显示图像进行分光处理，则将导致分光模块尺寸较大，整个头戴式显示设备体积庞大、沉重，大大降低了所述设备的便携性和实用性。人的左右眼平均瞳距约64毫米，对这种大尺寸屏直接分光后，还会导致分光后所产生的两个画面的中心距离远远超过人的瞳距，造成无法使用。因此本实施例2在实施例1的基础上增加缩小模块，所述缩小模块设置于显示单元和分光模块之间，将显示图像缩小后再经分光模块进行分光，从而可以有效减小显示设备的体积，适应人的瞳距，方便佩戴和携带。

本实施例的优选实施方式为所述缩小模块包括第四反射镜7、第五反射镜8和光学缩小器件9。如图5所示，图5为本发明实施例2提供的缩小模块结构图。所述缩小模块的光路为：显示单元1生成的显示图像依次经第四反射镜7和第五反射镜8反射至光学缩小器件9进行缩小后再经分光模块进行分光。显示单元1生成的显示图像AB经第四反射镜7反射后生成像A′B′，像A′B′经第五反射镜8反射后生成像A″B″，像A″B″经光学缩小器件9缩小后生成像A′″B′″，缩小比例取决于光学缩小器件的相关参数。实施例1所述分光单元对像A′″B′″进行分光处理。

本实施例的优选实施方式为所述光学缩小器件9采用凹透镜。

需要说明的是，本实施例在所述缩小模块满足上述光路的基础上不对第四反射镜7、第五反射镜8和光学缩小器件9的安装角度进行固定设置。进一步的，为尽量减小头戴式显示设备尺寸，本实施例采用第四、第五两组反射镜，根据对设备体积的不同要求，也可以对应选择一组或多组反射镜。

需要说明的是，所述缩小模块根据显示图像尺寸不同灵活设置，本实施例优选在显示图像尺寸超过70毫米时设置光学缩小器件。

如图6所示，图6为本发明实施例2提供的缩小模块+分光模块示意图，其中，显示单元发出的显示图像经缩小模块后沿光路直接通过分光单元进行分光的话，光路较长，光学单元尺寸较大，将直接影响头戴式显示设备佩戴的舒适性。本实施例的优选实施方案为在缩小单元和分光单元之间设置反射模块，改变光路方向，进一步减小光学单元尺寸。如图7所示，图7为缩小模块+反射模块+分光模块示意图，本实施例所述反射模块包括第六反射镜10和第七反射镜11，显示单元发出的显示画面经缩小模块后依次经第六反射镜10和第七反射镜11反射至分光模块进行分光处理，改变了光路方向，减小了光学单元尺寸。需要说明的是，所述反射模块还可以根据需要设置为多块反射镜进行多级反射。

需要说明的是实施例1、实施例2所述头戴式显示设备中，所述反射镜、半反半透镜、凸透镜、凹透镜设备均为常用光学元件，价格低廉，所述显示单元也可以采用手机等移动显示设备，无需额外增加显示设备，故所述头戴式显示设备成本较低。

实施例3

本实施例公开了实施例1、2所述头戴式2D显示设备的显示方法。如图8所示，图8为本发明实施例3提供的头戴式2D显示设备的显示方法流程图。

所述头戴式2D显示设备的显示方法包括以下步骤：

S1、显示单元生成显示图像；

S3、分光模块将显示图像进行分光，将显示图像分别投射至使用者的左眼和右眼。

本实施例的优选实施方式为所述步骤S3具体包括显示图像一路经半反半透镜进行反射后再经第一反射镜反射至使用者的一只眼睛，另一路经半反半透镜进行透射后再依次经第二反射镜和第三发射镜反射至使用者的另一只眼睛。

本实施例的优选实施方式为所述步骤S3中，显示图像分光后获得的图像进行放大后再投射至使用者的左眼和右眼。

本实施例的优选实施方式为所述步骤S1和步骤S3之间还包括步骤S2：

S2、缩小模块将显示图像缩小，并将缩小后的图像经步骤S3进行分光。

本实施例的优选实施方式为所述步骤S2具体为：显示图像经第四反射镜反射至光学缩小器件后经分光模块进行分光。

本实施例的优选实施方式为所述显示图像经第四反射镜反射后，再经第五反射镜反射至光学缩小器件后经分光模块进行分光。

本发明的技术方案，通过分光处理，将显示设备生成的显示图像进行分光，在不损失分辨率的情况下将显示图像分别投射至使用者的左眼和右眼，使用者在近距离观看显示设备时可以获得良好的视觉效果，单眼就能达到高清分辨率，具有分辨率高、成本低廉，私密性好，佩戴、携带方便的优点。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种头戴式2D显示设备，包括用于将显示部分固定于佩戴者头部的佩戴部分和用于给佩戴者提供视觉体验的显示部分，其特征在于，所述显示部分包括显示单元和光学单元；

所述显示单元用于生成显示图像；

所述光学单元包括分光模块，用于对显示图像进行分光，将显示图像分别投射至使用者的左眼和右眼。

2.根据权利要求1所述的头戴式2D显示设备，其特征在于，所述分光模块包括半反半透镜、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，所述分光模块的光路为：所述显示单元生成的显示图像一路经半反半透镜反射后再经第一反射镜反射至使用者的一只眼睛，另一路经半反半透镜透射后再依次经第二反射镜和第三反射镜反射至使用者的另一只眼睛。

3.根据权利要求2所述的头戴式2D显示设备，其特征在于，所述第一反射镜与半反半透镜之间距离可调，所述第二反射镜和第三反射镜之间距离可调。

4.根据权利要求1所述的头戴式2D显示设备，其特征在于，所述分光模块还包括光学放大器件，所述光学放大器件用于将显示图像分光后获得的图像进行放大后再投射至使用者的左眼和右眼。

5.根据权利要求1所述的头戴式2D显示设备，其特征在于，所述光学单元还包括缩小模块，所述缩小模块用于生成显示图像的虚像，所述显示图像的虚像小于显示图像，显示图像经缩小模块后再进行分光。

6.根据权利要求5所述的头戴式2D显示设备，其特征在于，所述缩小模块包括第四反射镜和光学缩小器件，所述缩小模块的光路为：显示单元生成的显示图像经第四反射镜反射至光学缩小器件后再通过分光模块进行分光。

7.根据权利要求6所述的头戴式2D显示设备，其特征在于，所述缩小模块还包括第五反射镜，所述显示单元生成的显示图像经第四反射镜反射后，再经第五反射透镜反射至光学缩小器件。

8.一种头戴式2D显示设备的显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、显示单元生成显示图像；

S3、分光模块对显示图像进行分光，将显示图像分别投射至使用者的左眼和右眼。

9.根据权利要求8所述的头戴式2D显示设备的显示方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：显示图像一路经半反半透镜进行反射后再经第一反射镜反射至使用者的一只眼睛，另一路经半反半透镜进行透射后再依次经第二反射镜和第三发射镜反射至使用者的另一只眼睛。

10.根据权利要求8所述的头戴式2D显示设备的显示方法，其特征在于，所述显示图像分光后获得的图像进行放大后再投射至使用者的左眼和右眼。

11.根据权利要求8所述的头戴式2D显示设备的显示方法，其特征在于，所述步骤S1和步骤S3之间还包括S2步骤：

S2、缩小模块将显示图像缩小，缩小后的显示图像经步骤S3进行分光。

12.根据权利要求11所述的头戴式2D显示设备的显示方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：显示图像经第四反射镜反射至光学缩小器件后再通过分光模块进行分光。

13.根据权利要求12所述的头戴式2D显示设备的显示方法，其特征在于，所述显示图像经第四反射镜反射后，再经第五反射镜反射至光学缩小器件后经分光模块进行分光。