CN107884934B - 头戴式显示设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种头戴式显示设备及其控制方法，该头戴式显示设备包括：显示元件，所述显示元件分时显示第一图像和第二图像，其中，所述第一图像为人的左眼观察图像，所述第二图像为人的右眼观察图像，且所述第一图像和所述第二图像分别铺满所述显示元件的显示区；光路调整元件，所述光路调整元件用于反射所述显示元件发出的第一光线，使其射向人眼，并透射周围环境中的自然光线，使其射向人眼。该头戴式显示设备可以增大人的左眼和右眼观看到的虚拟图像的尺寸，进而增大人眼观看到的虚拟图像的视场角，提高用户体验。

Description

头戴式显示设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及虚拟显示技术领域，尤其涉及一种头戴式显示设备及其控制方法。

背景技术

随着显示技术的发展，越来越多的增强现实头戴显示设备应用到人们的日常生活中。现有增强现实头戴显示设备主要是将显示屏幕一分为二，分别显示左右眼要观察到的内容，然后基于两次平面反射原理，将显示屏幕上的虚拟物投射到人眼中，实现立体效果。但是，这种头戴显示设备形成的虚像尺寸较小，导致人眼观察到的虚像的视场角不超过30°，用户体验较差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种头戴式显示设备及其控制方法，以增大人眼观看到的虚拟图像的视场角，提高用户体验。

为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种头戴式显示设备，包括：

显示元件，所述显示元件分时显示第一图像和第二图像，其中，所述第一图像为人的左眼观察图像，所述第二图像为人的右眼观察图像，且所述第一图像和所述第二图像分别铺满所述显示元件的显示区；

光路调整元件，所述光路调整元件用于反射所述显示元件发出的第一光线，使其射向人眼，并透射周围环境中的自然光线，使其射向人眼。

可选的，所述光路调整元件包括分光板和反射棱镜，其中，所述分光板用于接收所述显示元件发出的第一光线，将其射向所述反射棱镜；

所述反射棱镜用于将对应所述第一图像的第一光线反射回所述分光板，透过所述分光板射向人的左眼，将对应于所述第二图像的第一光线反射回所述分光板，透过所述分光板射向人的右眼。

可选的，所述反射棱镜为自由曲面棱镜。

可选的，所述分光板射向所述反射棱镜的光线在所述反射棱镜外表面上形成的入射角大于全反射角，其中，所述反射棱镜外表面为所述反射棱镜朝向人眼的两个表面中远离人眼的一个表面。

可选的，所述反射棱镜背离人眼一侧设置有增反膜。

可选的，所述反射棱镜外表面反射的光线形成的虚拟图像位于人眼前方。

可选的，所述虚拟图像与人眼之间的距离位于2米-4米范围内，包括端点值。

可选的，所述光路调整元件还包括：位于所述反射棱镜背离人眼一侧的补偿棱镜，所述补偿棱镜用于对所述反射棱镜投射所述自然光线形成的图像变形进行校正。

一种头戴式显示设备的控制方法，所述头戴式显示设备，包括：显示元件，所述显示元件分时显示第一图像和第二图像，其中，所述第一图像为人的左眼观察图像，所述第二图像为人的右眼观察图像，且所述第一图像和所述第二图像分别铺满所述显示元件的显示区；光路调整元件，所述光路调整元件用于反射所述显示元件发出的第一光线，使其射向人眼，并透射周围环境中的自然光线，使其射向人眼；该控制方法包括：

在第一时间段，控制所述显示元件显示第一图像，并控制所述光路调整元件，将所述第一图像对应的光线射向人的左眼；

在第二时间段，控制所述显示元件显示第二图像，并控制所述光路调整元件，将所述第二图像对应的光线射向人的右眼；

其中，所述第一时间段和所述第二时间段相邻。

可选的，述光路调整元件包括分光板和反射棱镜，其中，所述分光板用于接收所述显示元件发出的第一光线，将其射向所述反射棱镜；所述反射棱镜用于将对应所述第一图像的第一光线反射回所述分光板，透过所述分光板射向人的左眼，将对应于所述第二图像的第一光线反射回所述分光板，透过所述分光板射向人的右眼；该控制方法还包括：

调整所述分光板的旋转角度和所述反射棱镜的内表面的面型，使得所述分光板射向所述反射棱镜的光线，在所述反射棱镜的外表面发生全反射。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的技术方案中，所述显示元件分时显示第一图像和第二图像，且所述显示元件在分别显示第一图像和第二图像时，所述第一图像和所述第二图像分别铺满所述显示元件的显示区，从而增大了人的左眼和右眼观看到的虚拟图像的尺寸，进而增大了人眼观看到的虚拟图像的视场角，将单眼(左眼或右眼)的视场角增大一倍以上，提高了用户体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例所提供的头戴式显示设备的结构示意图；

图2为本发明一个实施例所提供的头戴式显示设备中，左右眼观看到的有效显示区域示意图；

图3为本发明另一个实施例所提供的头戴式显示设备的结构示意图；

图4为本发明又一个实施例所提供的头戴式显示设备的结构示意图；

图5为本发明一个实施例所提供的头戴式显示设备的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，现有头戴显示设备形成的虚像尺寸较小，导致人眼观察到的虚像的视场角不超过30°，用户体验较差。

有鉴于此，本发明实施例提供了一种头戴式显示设备，如图1所示，该头戴式显示设备包括：

显示元件10，所述显示10元件分时显示第一图像和第二图像，其中，所述第一图像为人的左眼观察图像，所述第二图像为人的右眼观察图像，如图2所示，且所述第一图像和所述第二图像分别铺满所述显示元件10的显示区，在本发明实施例中，所述显示元件10的显示区为所述显示元件的有效显示区域，即左右眼分别对应的有效显示区域；

光路调整元件20，所述光路调整元件20用于反射所述显示元件10发出的第一光线，使其射向人眼，并透射周围环境中的自然光线，使其射向人眼。

具体的，在本发明实施例中，当所述显示元件10显示第一图像时，所述光路调整元件20反射所述显示元件10发出的第一光线，使其射向人的左眼，并透射周围环境中的自然光线，也使其射向人的左眼，在人的左眼中呈现所述第一图像和所述周围环境组成的图像；当所述显示元件10显示第二图像时，所述光路调整元件20反射所述显示元件10发出的第一光线，使其射向人的右眼，并透射周围环境中的自然光线，也使其射向人的右眼，在人的右眼中呈现所述第二图像和周围环境组成的图像。

由上可知，本发明实施例所提供的头戴式显示设备中，所述显示元件10分时显示第一图像和第二图像，且所述显示元件10在分别显示第一图像和第二图像时，所述第一图像和所述第二图像分别铺满所述显示元件10的显示区，从而增大人的左眼和右眼观看到的虚拟图像的尺寸，进而增大人眼观看到的虚拟图像的视场角，将单眼(左眼或右眼)的视场角增大一倍以上，提高用户体验。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，如图3所示，所述光路调整元件包括分光板21和反射棱镜22，其中，所述分光板21用于接收所述显示元件10发出的第一光线，将其射向所述反射棱镜22；所述反射棱镜22用于将对应所述第一图像的第一光线反射回所述分光板21，透过所述分光板21射向人的左眼，将对应于所述第二图像的第一光线反射回所述分光板21，透过所述分光板21射向人的右眼，以实现定向显示。

具体的，为了保证所述显示元件10整个显示区发射的对应第一图像的第一光线，经过所述光路调整元件20调整后，可以全部进入人的左眼，所述显示元件10整个显示区发射的对应第二图像的第一光线，经所述光路调整元件20调整后，可以全部进入人的右眼，增大用户的观察视场，在本发明的一个实施例中，所述反射棱镜为自由曲面棱镜。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述自由曲面棱镜的面型设计方法可以采用数值优化法，也可以采用解偏微分方程法，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。具体的，在本发明的一个实施例中，所述自由曲面棱镜的设计过程包括：先在光学设计软件中设置所述自由曲面棱镜的双锥度曲面、非对称非球面等自由曲面参数；然后设置所述自由曲面棱镜的光学变量参数，如成像圆半径(略小于所述显示元件的显示尺寸)、光程、入瞳直径、渐变曲率、厚度等，以及对应的变量边界条件；最后再通过相应的优化算法对***中的光学参数进行迭代求解即可得到该自由曲面棱镜的面型。需要说明的是，在本发明实施例中，所述自由曲面棱镜面型设计过程中各项参数的设置具体视所述自由曲面棱镜的应用场景而定，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述分光板21射向所述反射棱镜22的光线在所述反射棱镜22外表面上形成的入射角大于全反射角，从而使得所述分光板21射向所述反射棱镜22的光线可以在所述反射棱镜22的外表面上发生全反射，提高所述分光板21射向所述反射棱镜22后，经所述反射棱镜22反射进入人眼的光线量，提高所述显示元件10发射的第一光线的光线利用率，提高人眼所观看的显示画面的显示亮度。其中，所述反射棱镜22的外表面为所述反射棱镜22朝向人眼的两个表面中远离人眼的一个表面。

在本发明的另一个实施例中，所述反射棱镜22背离人眼一侧设置有增反膜(图中未示出)，以增强所述反射棱镜22对所述分光板21射向其的光线的反射率，提高所述显示元件10发射的第一光线的光线利用率，提高人眼所观看的显示画面的显示亮度。但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述反射棱镜22的外表面反射的光线形成的虚拟图像位于人眼前方，以便于人眼可以观看到该虚拟图像。可选的，在本发明的一个实施例中，所述虚拟图像与人眼之间的距离位于2米-4米范围内，包括端点值，以避免所述虚拟图像距离人眼太近，对人眼造成压迫感，导致人眼不舒服，造成用户产生眩晕等症状，同时避免所述虚拟图像距离人眼太远，降低人眼所观看到图像的清晰度。但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

需要说明的是，由于所述反射棱镜的面型主要是针对虚拟图像设计的，难以同时满足虚拟图像和真实场景两个条件，

因此，在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，为了避免所述周围环境的光线透过所述反射棱镜形成的真实场景发生变形，如图4所示，所述光路调整元件还包括：位于所述反射棱镜22背离人眼一侧的补偿棱镜23，所述补偿棱镜23用于对所述反射棱镜投射所述自然光线形成的图像变形进行校正，以避免周围环境的光线透过所述反射棱镜形成的图像发生变形和偏移。

相应的，本发明实施例还提供了一种头戴式显示设备的控制方法，所述头戴式显示设备包括：显示元件，所述显示元件分时显示第一图像和第二图像，其中，所述第一图像为人的左眼观察图像，所述第二图像为人的右眼观察图像，且所述第一图像和所述第二图像分别铺满所述显示元件的显示区；光路调整元件，所述光路调整元件用于发射所述显示元件发出的第一光线，使其射向人眼，形成虚拟场景，并透射周围环境中的自然光线，使其射向人眼，形成真实场景，所述虚拟场景和所述真实场景相叠加，形成增强现实显示的效果。具体的，在本发明实施例中，如图5所示，该控制方法包括：

S1：在第一时间段，控制所述显示元件显示第一图像，并控制所述光路调整元件，将所述第一图像对应的光线射向人的左眼；

S2：在第二时间段，控制所述显示元件显示第二图像，并控制所述光路调整元件，将所述第二图像对应的光线射向人的右眼；

其中，所述第一时间段和所述第二时间段相邻。

在上述实施例的基础上，在本发明实一个施例中，所述第一时间段早于所述第二时间段，即所述显示元件先显示第一图像，再显示第二图像；在本发明的另一个实施例中，所述第一时间段晚于所述第二时间段，即所述显示元件先显示第二图像，再显示第一图像，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述光路调整元件包括分光板和反射棱镜，其中，所述分光板用于接收所述显示元件发出的第一光线，将其射向所述反射棱镜；所述反射棱镜用于将对应所述第一图像的第一光线反射回所述分光板，透过所述分光板射向人的左眼，将对应于所述第二图像的第一光线反射回所述分光板，透过所述分光板射向人的右眼，以实现定向显示。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，该控制方法还包括：调整所述分光板的旋转角度和所述反射棱镜的内表面的面型，使得所述分光板射向所述反射棱镜的光线，在所述反射棱镜的外表面发生全反射，增大所述分光板射向所述反射棱镜后经所述反射棱镜反射进入人眼的光线量，提高所述显示元件发射的第一光线的光线利用率，提高人眼所观看的显示画面的显示亮度。其中，所述反射棱镜的内表面为所述反射棱镜朝向人眼的两个表面中靠近人眼一侧的一个表面；所述反射棱镜的外表面为所述反射棱镜朝向人眼的两个表面中远离人眼的一个表面。

在本发明的另一个实施例中，所述反射棱镜背离人眼一侧设置有增反膜，以增强所述反射棱镜对所述分光板射向其的光线的反射率，提高所述显示元件发射的第一光线的光线利用率，提高人眼所观看的显示画面的显示亮度。但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述反射棱镜的外表面反射的光线形成的虚拟图像位于人眼前方，以便于人眼可以观看到该虚拟图像。可选的，在本发明的一个实施例中，所述虚拟图像与人眼之间的距离位于2米-4米范围内，包括端点值，以避免所述虚拟图像距离人眼太近，对人眼造成压迫感，导致人眼不舒服，造成用户产生眩晕等症状，同时避免所述虚拟图像距离人眼太远，降低人眼所观看到图像的清晰度。但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

需要说明的是，由于所述反射棱镜的面型主要是针对虚拟图像设计的，难以同时满足虚拟图像和真实场景两个条件，因此，在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，为了避免所述周围环境的光线透过所述反射棱镜形成的真实场景发生变形，所述光路调整元件还包括：位于所述反射棱镜背离人眼一侧的补偿棱镜，该控制方法还包括：利用所述补偿棱镜用于对所述反射棱镜投射所述自然光线形成的图像变形进行校正，以避免周围环境的光线透过所述反射棱镜形成的图像发生变形和偏移。

由于增强现实头戴式显示设备中，所述头戴式显示设备所成虚像的大小和显示范围，对用户的主观感受产生直接的影响，因此，本发明实施例所提供的头戴式显示设备及其控制方法可以有效提高显示元件的显示区利用率，将虚拟图像显示的有效视场扩大一倍，同时保持3D的显示效果，提高用户体验。

综上所述，本发明实施例所提供的头戴式显示设备及其控制方法中，所述显示元件分时显示第一图像和第二图像，且所述显示元件在分别显示第一图像和第二图像时，所述第一图像和所述第二图像分别铺满所述显示元件的显示区，从而增大人的左眼和右眼观看到的虚拟图像的尺寸，进而增大人眼观看到的虚拟图像的视场角，将单眼(左眼或右眼)的视场角增大一倍以上，提高用户体验。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括：

显示元件，所述显示元件分时显示第一图像和第二图像，其中，所述第一图像为人的左眼观察图像，所述第二图像为人的右眼观察图像，且所述第一图像和所述第二图像分别铺满所述显示元件的显示区；

光路调整元件，当所述显示元件显示第一图像时，所述光路调整元件反射所述显示元件发出的第一光线，使其射向人的左眼，并透射周围环境中的自然光线，也使其射向人的左眼，在人的左眼中呈现所述第一图像和所述周围环境组成的图像；当所述显示元件显示第二图像时，所述光路调整元件反射所述显示元件发出的第一光线，使其射向人的右眼，并透射周围环境中的自然光线，也使其射向人的右眼，在人的右眼中呈现所述第二图像和周围环境组成的图像；

其中，所述光路调整元件包括分光板和反射棱镜，所述分光板用于接收所述显示元件发出的第一光线，将其射向所述反射棱镜；所述反射棱镜用于将对应所述第一图像的第一光线反射回所述分光板，透过所述分光板射向人的左眼，将对应于所述第二图像的第一光线反射回所述分光板，透过所述分光板射向人的右眼，以实现定向显示虚拟图像。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述反射棱镜为自由曲面棱镜。

3.根据权利要求2所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述分光板射向所述反射棱镜的光线在所述反射棱镜外表面上形成的入射角大于全反射角，其中，所述反射棱镜外表面为所述反射棱镜朝向人眼的两个表面中远离人眼的一个表面。

4.根据权利要求2所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述反射棱镜背离人眼一侧设置有增反膜。

5.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述虚拟图像与人眼之间的距离位于2米-4米范围内，包括端点值。

6.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述光路调整元件还包括：位于所述反射棱镜背离人眼一侧的补偿棱镜，所述补偿棱镜用于对所述反射棱镜投射所述自然光线形成的图像变形进行校正。

7.一种头戴式显示设备的控制方法，其特征在于，所述头戴式显示设备，包括：显示元件，所述显示元件分时显示第一图像和第二图像，其中，所述第一图像为人的左眼观察图像，所述第二图像为人的右眼观察图像，且所述第一图像和所述第二图像分别铺满所述显示元件的显示区；光路调整元件，当所述显示元件显示第一图像时，所述光路调整元件反射所述显示元件发出的第一光线，使其射向人的左眼，并透射周围环境中的自然光线，也使其射向人的左眼，在人的左眼中呈现所述第一图像和所述周围环境组成的图像；当所述显示元件显示第二图像时，所述光路调整元件反射所述显示元件发出的第一光线，使其射向人的右眼，并透射周围环境中的自然光线，也使其射向人的右眼，在人的右眼中呈现所述第二图像和周围环境组成的图像；其中，所述光路调整元件包括分光板和反射棱镜，所述分光板用于接收所述显示元件发出的第一光线，将其射向所述反射棱镜；所述反射棱镜用于将对应所述第一图像的第一光线反射回所述分光板，透过所述分光板射向人的左眼，将对应于所述第二图像的第一光线反射回所述分光板，透过所述分光板射向人的右眼，以实现定向显示；该控制方法包括：

在第一时间段，控制所述显示元件显示第一图像，并控制所述光路调整元件，将所述第一图像对应的光线射向人的左眼；

在第二时间段，控制所述显示元件显示第二图像，并控制所述光路调整元件，将所述第二图像对应的光线射向人的右眼；

其中，所述第一时间段和所述第二时间段相邻。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，该控制方法还包括：

调整所述分光板的旋转角度和所述反射棱镜的内表面的面型，使得所述分光板射向所述反射棱镜的光线，在所述反射棱镜的外表面发生全反射。

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