一種頭戴顯示器及其實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種頭戴顯示器的實(shí)現(xiàn)方法，具體步驟如下：二維顯示屏顯示二維平面圖像；二維顯示屏所產(chǎn)生的二維平面圖像經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后進(jìn)入人眼，當(dāng)二維顯示屏出射的光學(xué)圖像經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入人眼時(shí)，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行對(duì)焦和變焦，并在光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)焦和變焦操作時(shí)，保證整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的物方節(jié)平面與二維顯示屏的距離保持固定。本發(fā)明還公開了一種頭戴顯示器，包括服務(wù)于左右眼且相互獨(dú)立的兩組二維顯示屏和光學(xué)系統(tǒng)，所述的光學(xué)系統(tǒng)為變焦光學(xué)系統(tǒng)，并在變焦過程中，所述的變焦光學(xué)系統(tǒng)的物方節(jié)平面與所述二維顯示屏的距離保持固定。本發(fā)明能保證觀察過程中二維顯示屏中雙眼圖像角放大率一致性，具有較好的雙目融像效果。
【專利說明】一種頭戴顯示器及其實(shí)現(xiàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是光學(xué)系統(tǒng)和器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，適用于3D顯示、虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]頭戴顯示器(Head Mounted Display)簡(jiǎn)稱HMD分為半投型與全投型，它能將二維顯示屏所產(chǎn)生的圖像經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)放大，將準(zhǔn)直圖像顯示到無窮遠(yuǎn)或是足夠遠(yuǎn)的地方，成幾米之外數(shù)十米的屏幕效果。由于頭戴顯示裝置安裝在觀察者的頭部，因此它必須緊湊和輕量化，以減輕觀察者的負(fù)載。隨著觀察視場(chǎng)的增加，觀察范圍也會(huì)增加，觀察者才能更全神貫注的觀察優(yōu)質(zhì)的動(dòng)態(tài)圖像。對(duì)于頭戴顯示器系統(tǒng)而言，大視場(chǎng)也是相當(dāng)重要的。光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)、出瞳直徑，焦距三者之間是相互制約的關(guān)系，同時(shí)達(dá)到大視場(chǎng)、大出瞳直徑和短焦距相當(dāng)困難。
[0003]頭盔顯示器的種類很多，然均為定焦光學(xué)系統(tǒng)。通常人眼觀看時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)使得二維顯示屏成一個(gè)位于無窮遠(yuǎn)或者幾米遠(yuǎn)的地方。如患有近視眼的人使用，要么需要戴近視眼鏡，要么需要光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行視度調(diào)節(jié)，即對(duì)焦。
[0004]美國(guó)專利Pat.N0.5，959，780 和 6，292，301，利用自由曲面棱鏡(Free-Formsurface Prism,FFSM)改進(jìn)HMD光學(xué)系統(tǒng)，解決了光學(xué)系統(tǒng)對(duì)視場(chǎng)角、出瞳距離的要求與小型輕量化之間的矛盾。但由于FFSM光學(xué)系統(tǒng)為一個(gè)定焦光學(xué)系統(tǒng)，在進(jìn)行視度調(diào)節(jié)時(shí)，帶了放大辨率的，以致無法保證雙目圖像的一致性，使得觀看者容易產(chǎn)生眩暈，甚至成雙像顯不O


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題提出了一種頭戴顯示器的實(shí)現(xiàn)方法，具體方案如下:
[0006]一種頭戴顯示器的實(shí)現(xiàn)方法，具體步驟如下:二維顯示屏顯示二維平面圖像；二維顯示屏所產(chǎn)生的二維平面圖像經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后進(jìn)入人眼，當(dāng)二維顯示屏出射的光學(xué)圖像經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入人眼時(shí)，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行對(duì)焦和變焦，并在光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)焦和變焦操作時(shí)，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的物方節(jié)平面與二維顯示屏的距離變化保持在整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)焦距值的± 10%以內(nèi)。
[0007]上述方案中，變焦光學(xué)系統(tǒng)的變焦操作用于調(diào)整視度，實(shí)現(xiàn)圖像的放大、縮小或者拉近、拉遠(yuǎn)；變焦光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)焦操作使得二維顯示屏的圖像更清晰；在光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)焦和變焦操作時(shí)，保證整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的物方節(jié)平面與二維顯示屏的距離不變目的在于:在雙眼觀察二維顯示屏?xí)r，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)變焦或?qū)箷r(shí)，使得光學(xué)系統(tǒng)的物方節(jié)平面與二維顯示屏的距離固定可以保證二維顯示屏對(duì)雙眼的角放大率一致，從而保證雙眼圖像的一致性，避免雙眼接收到的圖像信息產(chǎn)生較大位差而產(chǎn)生眩暈。
[0008]作為優(yōu)選，所述的整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的物方節(jié)平面與二維顯示屏的距離保持固定。
[0009]本發(fā)明還提供了一種頭戴顯示器，包括服務(wù)于左右眼且相互獨(dú)立的兩組二維顯示屏和光學(xué)系統(tǒng)，所述的光學(xué)系統(tǒng)為變焦光學(xué)系統(tǒng)，包括兩組光學(xué)透鏡，分別為靠近所述二維顯示屏的第一透鏡組和靠近人眼的第二透鏡組，所述的第一透鏡組可沿光軸移動(dòng)，并在所述第一透鏡組移動(dòng)過程中，所述的變焦光學(xué)系統(tǒng)的物方節(jié)平面與所述二維顯示屏的距離變化保持在所述光學(xué)系統(tǒng)焦距值的±10%以內(nèi)。
[0010]上述方案中，單目系統(tǒng)的兩組光學(xué)透鏡組成變焦光學(xué)系統(tǒng)，用于變焦和對(duì)焦操作，同時(shí)保證整個(gè)變焦光學(xué)系統(tǒng)的物方節(jié)平面與二維顯示屏的距離保持在所述光學(xué)系統(tǒng)焦距值的±10%以內(nèi)，從而保證雙眼觀察到的雙眼圖像的放大或縮小比例一致(角放大率一致)；第一透鏡組可沿光軸移動(dòng)實(shí)現(xiàn)變焦(視度調(diào)節(jié))，第二透鏡組用于承擔(dān)整個(gè)變焦光學(xué)系統(tǒng)的光焦度。
[0011]作為優(yōu)選，所述的變焦光學(xué)系統(tǒng)的物方節(jié)平面與所述二維顯示屏的距離保持固定。
[0012]作為優(yōu)選，所述的二維顯示屏和所述的第二透鏡組之間的距離保持不變。二維顯示屏和第二透鏡組之間的距離即為整個(gè)頭戴顯示器的外形尺寸，二維顯示屏和第二光透鏡組的間距不變即確定了整個(gè)頭戴顯示器的外形尺寸。
[0013]作為優(yōu)選，所述的第二透鏡組的光焦度絕對(duì)值是所述的第一透鏡組光焦度絕對(duì)值的兩倍或兩倍以上。上述設(shè)置可以保證整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸恒定或者變化較小，同時(shí)又能保證光學(xué)系統(tǒng)擁有較大的視度調(diào)節(jié)量。
[0014]作為優(yōu)選，所述的第一透鏡組為單個(gè)折射面為非球面的彎月形透鏡。
[0015]作為優(yōu)選，所述的第二透鏡組為單個(gè)雙凸透鏡。
[0016]作為優(yōu)選，所述的第二透鏡組為雙膠合透鏡。雙膠合透鏡可進(jìn)一步校正光學(xué)系統(tǒng)色差。
[0017]與現(xiàn)在技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
[0018]I)由于在單目系統(tǒng)中使用了兩組透鏡，使得成像更清晰，支持更大的視場(chǎng)與放大率;
[0019]2)當(dāng)?shù)诙鈱W(xué)透鏡組采用雙膠合透鏡時(shí)，可以進(jìn)一步校正光學(xué)系統(tǒng)的色差，使成像效果更好；
[0020]3)該光學(xué)系統(tǒng)的視度調(diào)節(jié)采用變焦方式，在調(diào)節(jié)過程中，保持整體光學(xué)系統(tǒng)的物方節(jié)平面與二維顯示屏的距離不變或者變化極小，因此雙目觀察時(shí)，二維顯示屏的角放大率可以保持一致，使雙目融像效果更好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一種頭戴顯示器的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0023]圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例的一種頭戴顯示器的結(jié)構(gòu)示意圖。一種頭戴式顯示器，包括一組雙目光學(xué)系統(tǒng)，雙目光學(xué)系統(tǒng)分為結(jié)構(gòu)相同的兩個(gè)單目系統(tǒng)，左目系統(tǒng)I與右目系統(tǒng)2，每個(gè)單目系統(tǒng)包含依次排列的二維顯示屏10、第一透鏡組20和第二透鏡組30，圖像經(jīng)二維顯示屏10發(fā)出后經(jīng)第一透鏡組20和第二透鏡組30后進(jìn)入人眼40。
[0024]其中，二維顯示屏10采用5英寸手機(jī)為主體，通過軟件把顯示區(qū)域分為左、右圖像。第一透鏡組20為非球面彎月形透鏡，第二透鏡組30為雙膠合凸透鏡，由前透鏡31與后透鏡32組成。前透鏡31與后透鏡32的材料不相同，以便校正色差。在進(jìn)行視度調(diào)節(jié)時(shí)，僅沿光軸方向移動(dòng)第一透鏡組20，而在此過程中二維顯示屏10與第二透鏡組30的相對(duì)位置不變。
[0025]本發(fā)明使用新型的一種頭戴顯示器，保證雙目光學(xué)系統(tǒng)的物方節(jié)平面與二維顯示屏的距離固定，從而實(shí)現(xiàn)二維顯示屏的雙眼圖像的角放大率的一致性，提高雙眼融像效果。
[0026]以上所述的【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的最優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充和等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種頭戴顯示器的實(shí)現(xiàn)方法，具體步驟如下: 二維顯示屏顯示二維平面圖像； 二維顯示屏所產(chǎn)生的二維平面圖像經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后進(jìn)入人眼， 其特征在于:當(dāng)二維顯示屏出射的光學(xué)圖像經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入人眼時(shí)，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行對(duì)焦和變焦，并在光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)焦和變焦操作時(shí)，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的物方節(jié)平面與二維顯示屏的距離變化保持在整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)焦距值的±10%以內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頭戴顯示器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述的整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的物方節(jié)平面與二維顯示屏的距離保持固定。
3.—種頭戴顯示器，包括服務(wù)于左右眼且相互獨(dú)立的兩組二維顯示屏和光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的光學(xué)系統(tǒng)為變焦光學(xué)系統(tǒng)，包括兩組光學(xué)透鏡，分別為靠近所述二維顯示屏的第一透鏡組和靠近人眼的第二透鏡組，所述的第一透鏡組可沿光軸移動(dòng)，并在所述第一透鏡組移動(dòng)過程中，所述的變焦光學(xué)系統(tǒng)的物方節(jié)平面與所述二維顯示屏的距離變化保持在所述光學(xué)系統(tǒng)焦距值的±10%以內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種頭戴顯示器，其特征在于，所述的變焦光學(xué)系統(tǒng)的物方節(jié)平面與所述二維顯示屏的距離保持固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種頭戴顯示器，其特征在于，所述的二維顯示屏和所述的第二透鏡組之間的距離保持不變。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種頭戴顯示器，其特征在于，所述的第二透鏡組的光焦度絕對(duì)值是所述的第一透鏡組光焦度絕對(duì)值的兩倍或兩倍以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種頭戴顯示器，其特征在于，所述的第一透鏡組為單個(gè)折射面為非球面的彎月形透鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種頭戴顯示器，其特征在于，所述的第二透鏡組為單個(gè)雙凸透鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種頭戴顯示器，其特征在于，所述的第二透鏡組為雙膠合透鏡。
【文檔編號(hào)】G02B27/01GK104483755SQ201410839929
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月29日
【發(fā)明者】藍(lán)景恒, 高秀敏 申請(qǐng)人:藍(lán)景恒