一种头戴显示器及其实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种头戴显示器的实现方法，具体步骤如下：二维显示屏显示二维平面图像；二维显示屏所产生的二维平面图像经光学系统后进入人眼，当二维显示屏出射的光学图像经光学系统进入人眼时，整个光学系统同时进行对焦和变焦，并在光学系统进行对焦和变焦操作时，保证整个光学系统的物方节平面与二维显示屏的距离保持固定。本发明还公开了一种头戴显示器，包括服务于左右眼且相互独立的两组二维显示屏和光学系统，所述的光学系统为变焦光学系统，并在变焦过程中，所述的变焦光学系统的物方节平面与所述二维显示屏的距离保持固定。本发明能保证观察过程中二维显示屏中双眼图像角放大率一致性，具有较好的双目融像效果。
【专利说明】一种头戴显示器及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学【技术领域】，特别是光学系统和器件设计领域，适用于3D显示、虚拟现实与增强现实领域。
【背景技术】
[0002]头戴显示器(Head Mounted Display)简称HMD分为半投型与全投型，它能将二维显示屏所产生的图像经由光学系统放大，将准直图像显示到无穷远或是足够远的地方，成几米之外数十米的屏幕效果。由于头戴显示装置安装在观察者的头部，因此它必须紧凑和轻量化，以减轻观察者的负载。随着观察视场的增加，观察范围也会增加，观察者才能更全神贯注的观察优质的动态图像。对于头戴显示器系统而言，大视场也是相当重要的。光学系统的视场、出瞳直径，焦距三者之间是相互制约的关系，同时达到大视场、大出瞳直径和短焦距相当困难。
[0003]头盔显示器的种类很多，然均为定焦光学系统。通常人眼观看时，光学系统使得二维显示屏成一个位于无穷远或者几米远的地方。如患有近视眼的人使用，要么需要戴近视眼镜，要么需要光学系统进行视度调节，即对焦。
[0004]美国专利Pat.N0.5，959，780 和 6，292，301，利用自由曲面棱镜(Free-Formsurface Prism,FFSM)改进HMD光学系统，解决了光学系统对视场角、出瞳距离的要求与小型轻量化之间的矛盾。但由于FFSM光学系统为一个定焦光学系统，在进行视度调节时，带了放大辨率的，以致无法保证双目图像的一致性，使得观看者容易产生眩晕，甚至成双像显不O
【发明内容】
[0005]本发明针对现有技术中存在的技术问题提出了一种头戴显示器的实现方法，具体方案如下:
[0006]一种头戴显示器的实现方法，具体步骤如下:二维显示屏显示二维平面图像；二维显示屏所产生的二维平面图像经光学系统后进入人眼，当二维显示屏出射的光学图像经光学系统进入人眼时，整个光学系统同时进行对焦和变焦，并在光学系统进行对焦和变焦操作时，整个光学系统的物方节平面与二维显示屏的距离变化保持在整个光学系统焦距值的± 10%以内。
[0007]上述方案中，变焦光学系统的变焦操作用于调整视度，实现图像的放大、缩小或者拉近、拉远；变焦光学系统的对焦操作使得二维显示屏的图像更清晰；在光学系统进行对焦和变焦操作时，保证整个光学系统的物方节平面与二维显示屏的距离不变目的在于:在双眼观察二维显示屏时，当光学系统变焦或对焦时，使得光学系统的物方节平面与二维显示屏的距离固定可以保证二维显示屏对双眼的角放大率一致，从而保证双眼图像的一致性，避免双眼接收到的图像信息产生较大位差而产生眩晕。
[0008]作为优选，所述的整个光学系统的物方节平面与二维显示屏的距离保持固定。
[0009]本发明还提供了一种头戴显示器，包括服务于左右眼且相互独立的两组二维显示屏和光学系统，所述的光学系统为变焦光学系统，包括两组光学透镜，分别为靠近所述二维显示屏的第一透镜组和靠近人眼的第二透镜组，所述的第一透镜组可沿光轴移动，并在所述第一透镜组移动过程中，所述的变焦光学系统的物方节平面与所述二维显示屏的距离变化保持在所述光学系统焦距值的±10%以内。
[0010]上述方案中，单目系统的两组光学透镜组成变焦光学系统，用于变焦和对焦操作，同时保证整个变焦光学系统的物方节平面与二维显示屏的距离保持在所述光学系统焦距值的±10%以内，从而保证双眼观察到的双眼图像的放大或缩小比例一致(角放大率一致)；第一透镜组可沿光轴移动实现变焦(视度调节)，第二透镜组用于承担整个变焦光学系统的光焦度。
[0011]作为优选，所述的变焦光学系统的物方节平面与所述二维显示屏的距离保持固定。
[0012]作为优选，所述的二维显示屏和所述的第二透镜组之间的距离保持不变。二维显示屏和第二透镜组之间的距离即为整个头戴显示器的外形尺寸，二维显示屏和第二光透镜组的间距不变即确定了整个头戴显示器的外形尺寸。
[0013]作为优选，所述的第二透镜组的光焦度绝对值是所述的第一透镜组光焦度绝对值的两倍或两倍以上。上述设置可以保证整个光学系统的外形尺寸恒定或者变化较小，同时又能保证光学系统拥有较大的视度调节量。
[0014]作为优选，所述的第一透镜组为单个折射面为非球面的弯月形透镜。
[0015]作为优选，所述的第二透镜组为单个双凸透镜。
[0016]作为优选，所述的第二透镜组为双胶合透镜。双胶合透镜可进一步校正光学系统色差。
[0017]与现在技术相比，本发明的有益效果如下:
[0018]I)由于在单目系统中使用了两组透镜，使得成像更清晰，支持更大的视场与放大率;
[0019]2)当第二光学透镜组采用双胶合透镜时，可以进一步校正光学系统的色差，使成像效果更好；
[0020]3)该光学系统的视度调节采用变焦方式，在调节过程中，保持整体光学系统的物方节平面与二维显示屏的距离不变或者变化极小，因此双目观察时，二维显示屏的角放大率可以保持一致，使双目融像效果更好。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明实施例的一种头戴显示器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0023]图1所示为本发明实施例的一种头戴显示器的结构示意图。一种头戴式显示器，包括一组双目光学系统，双目光学系统分为结构相同的两个单目系统，左目系统I与右目系统2，每个单目系统包含依次排列的二维显示屏10、第一透镜组20和第二透镜组30，图像经二维显示屏10发出后经第一透镜组20和第二透镜组30后进入人眼40。
[0024]其中，二维显示屏10采用5英寸手机为主体，通过软件把显示区域分为左、右图像。第一透镜组20为非球面弯月形透镜，第二透镜组30为双胶合凸透镜，由前透镜31与后透镜32组成。前透镜31与后透镜32的材料不相同，以便校正色差。在进行视度调节时，仅沿光轴方向移动第一透镜组20，而在此过程中二维显示屏10与第二透镜组30的相对位置不变。
[0025]本发明使用新型的一种头戴显示器，保证双目光学系统的物方节平面与二维显示屏的距离固定，从而实现二维显示屏的双眼图像的角放大率的一致性，提高双眼融像效果。
[0026]以上所述的【具体实施方式】对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种头戴显示器的实现方法，具体步骤如下: 二维显示屏显示二维平面图像； 二维显示屏所产生的二维平面图像经光学系统后进入人眼， 其特征在于:当二维显示屏出射的光学图像经光学系统进入人眼时，整个光学系统同时进行对焦和变焦，并在光学系统进行对焦和变焦操作时，整个光学系统的物方节平面与二维显示屏的距离变化保持在整个光学系统焦距值的±10%以内。
2.根据权利要求1所述的一种头戴显示器的实现方法，其特征在于，所述的整个光学系统的物方节平面与二维显示屏的距离保持固定。
3.—种头戴显示器，包括服务于左右眼且相互独立的两组二维显示屏和光学系统，其特征在于，所述的光学系统为变焦光学系统，包括两组光学透镜，分别为靠近所述二维显示屏的第一透镜组和靠近人眼的第二透镜组，所述的第一透镜组可沿光轴移动，并在所述第一透镜组移动过程中，所述的变焦光学系统的物方节平面与所述二维显示屏的距离变化保持在所述光学系统焦距值的±10%以内。
4.根据权利要求3所述的一种头戴显示器，其特征在于，所述的变焦光学系统的物方节平面与所述二维显示屏的距离保持固定。
5.根据权利要求3所述的一种头戴显示器，其特征在于，所述的二维显示屏和所述的第二透镜组之间的距离保持不变。
6.根据权利要求3所述的一种头戴显示器，其特征在于，所述的第二透镜组的光焦度绝对值是所述的第一透镜组光焦度绝对值的两倍或两倍以上。
7.根据权利要求3所述的一种头戴显示器，其特征在于，所述的第一透镜组为单个折射面为非球面的弯月形透镜。
8.根据权利要求3所述的一种头戴显示器，其特征在于，所述的第二透镜组为单个双凸透镜。
9.根据权利要求3所述的一种头戴显示器，其特征在于，所述的第二透镜组为双胶合透镜。
【文档编号】G02B27/01GK104483755SQ201410839929
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】蓝景恒, 高秀敏 申请人:蓝景恒