一种头戴式显示设备和系统的制作方法

本发明涉及戴在用户头部以提供虚拟图像的头戴式显示设备，更具体地，涉及一种可以实现增强现实、虚拟现实和混合现实自由切换的头戴式显示设备和系统。

背景技术：

虚拟现实技术(virtual reality，简称VR)，是利用光学技术使得小尺寸的屏幕实现大屏幕的视觉效果，提供一种沉浸感的虚拟环境，如Oculus的虚拟现实眼镜。

增强现实技术(augmented reality，简称AR)，是让用户在观察真实世界的同时，同步接收和显示电脑信息。

混合现实技术(Mixed reality，简称MR)，能够让人同时看到真实世界和虚拟世界，人也可以与这些虚拟物体进行互动，如微软的hololens。

这种技术普遍是利用光学元件将来自显示设备中的计算机图形信息增加到用户的视觉光路中，使得人眼在看到周围真实物理世界的同时，可以叠加上计算机图形信息。

微软及Magic leap等公司致力于开发增强现实显示设备。然而，如何将立体图像的逼真叠加视觉中，让虚拟的立体图像看起来逼真的存在于现实世界中，还存在着挑战。

如何在同一种头戴式设备中实现增强现实、虚拟现实、混合现实，也存在许多亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的第一方面目的在于提供一种头戴式显示设备，该设备可以实现增强现实、虚拟现实和混合现实的自由切换。

为了能实现上述目的，本发明按照以下技术方案实现：一种头戴式显示设备，包括：显示器、分光光学膜层、前置透镜组、后置透镜组和遮光膜层；

关闭所述遮光膜层，显示器上的图像信息被所述分光光学膜层反射至前置透镜组，经所述前置透镜组修正后，用户通过前置透镜组观察到被放大的所述图像信息，实现虚拟现实场景显示；

打开所述遮光膜层，显示器上的图像信息被所述分光光学膜层反射至前置透镜组，同时，现实世界场景经后置透镜组调整后，被所述分光光学膜层透射至前置透镜组，经所述前置透镜组修正后，用户通过前置透镜组观察到所述现实世界场景和所述图像信息叠加后的混合/增强现实场景。

作为一种具体的实施例，所述显示器设于用户视线范围外的方向，其包括：集成在该头戴式显示设备上的液晶显示屏幕、有机发光二极管显示屏幕、电子墨水屏幕、微投影器件；或与该头戴式显示设备独立设置的手机、平板电脑。

作为一种具体的实施例，所述分光光学膜层为一块连续的膜层，其与所述显示器呈一定角度。

作为一种具体的实施例，所述前置透镜组设于所述分光光学膜层的一侧，用于修正所述图像信息的光线，以改变所述图像信息在用户视线上的呈现位置。

作为一种具体的实施例，所述后置透镜组设于所述分光光学膜层的另一侧，用于使用户透过所述分光光学膜层观察到的现实世界场景更加清晰。

进一步地，所述前置透镜组的光焦度为正；所述后置透镜组的光焦度为负。

作为一种具体的实施例，所述遮光膜层，其设置在分光光学膜层的另一侧，且与所述后置透镜组设置在同一侧；当遮光膜层被关闭时，现实世界场景的光线将被阻隔；当遮光膜层被打开时，现实世界场景的光线将进入用户的眼睛。

作为一种具体的实施例，该头戴式显示设备还包括有滤光膜层组，用于控制用户观察到的现实世界场景的影像的亮度、和/或对比度。

作为一种具体的实施例，所述滤光膜层组设置在分光光学膜层的另一侧，且位于分光光学膜层与后置透镜组之间，或位于后置透镜组与遮光膜层之间。

本发明的第二方面目的在于提供一种头戴式显示系统，其包括有：上述的头戴式显示设备，还包括有与所述头戴式显示设备有线或无线连接的视听设备。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明的头戴式显示设备和显示系统通过打开或关闭遮光膜层，可以实现混合现实场景或现实增强、虚拟现实场景的自由切换。

为了能更清晰的理解本发明，以下将结合附图说明阐述本发明的具体实施方式。

附图说明

图1是本发明实施例1头戴式显示设备的遮光膜层打开时的结构示意图。

图2是本发明实施例1的头戴式显示设备的显示示意图。

图3是本发明实施例1的头戴式显示设备的场景示意图。

图4是本发明实施例1头戴式显示设备的遮光膜层关闭时的结构示意图。

图5是本发明实施例2的头戴式显示设备的遮光膜层打开时结构示意图。

图6是本发明实施例2头戴式显示设备的遮光膜层关闭时的结构示意图。

图7是本发明实施例的滤光膜层组平衡现实场景和计算机生成图像的对比度示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种头戴式显示设备和系统，该设备和系统可有效地实现虚拟现实场景、增强现实或混合现实的自由切换。

常见虚拟现实技术是利用光学技术使得小尺寸的屏幕实现大屏幕的视觉效果，提供一种沉浸感。

而常见的混合现实，或者虚拟现实技术，则是摄像头实时的拍摄显示场景后，实时的加载到显示器中，并在显示器中同时加载计算机生成的图形，从而实现增强现实。或者是利用棱镜、光纤等将来自将显示器中的增强现实图案增加到用户的视觉范围之内。

下面，参考图1-5，对本发明实施例的头戴式显示设备进行阐述说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例的头戴式显示设备包括光学系统部分，其包括显示器16、分光光学膜层12、前置透镜组11、后置透镜组13和遮光膜层15。

其中，所述显示器16设于用户视线范围外的方向，具体可以设置在图1所示装置的底部位置、顶部位置，或者设置在侧面。

在一种实施例中，所述显示器16可以是集成在该头戴式显示设备上的液晶显示屏幕、有机发光二极管显示屏幕、电子墨水屏幕、微投影器件；其中，所述液晶显示屏幕可以平面的，或者曲面的；在另一种实施例中，所述显示器16可以是与该头戴式显示设备独立设置的手机、平板电脑、小型计算机屏幕、或者其他小型的显示屏幕，仅在头戴显示设备需要工作的时候，被设置到整个头戴式显示系统中。所述显示器16用于提供增强现实或者混合现实需要的计算机图形、文本。优选地，本发明实施例中包括至少一块所述显示器。在一种实施例中，显示器可以提供图像对序列，分别给左眼和右眼。当显示器件提供没有视差的图像对时，可以实现二维图像显示。当显示器件同时提供有一定视差的图相对时，可以实现三维图像显示。

所述分光光学膜层12，优选地为一块连续的膜层，优选地，本发明实施例的分光光学膜层12中间没有台阶式的变化。所述分光光学膜层12与所述显示器呈一定角度。在一个实施例中，，所述角度为45°。通过调整分光光学膜层12与显示器16之间的角度，使显示器16的图像光线反射到前置透镜组，经前置透镜组重聚焦后，进入用户的眼睛10中。换言之，所述分光光学膜层12具有反射的特性。

此外，透过本实施例的分光光学膜层12，用户还可以透射看到现实世界的场景。换言之，所述分光光学膜层12还具有透射的特性。

所述前置透镜组11，所述前置透镜组11设于所述分光光学膜层12的一侧，用于修正所述图像信息和现实世界场景的光线，以改变所述图像信息和现实世界场景在用户视线上的呈现位置。一种实施例中，通过所述前置透镜组11，用户看到的图像更大，产生大屏幕的视觉效果。

其中，本实施例至少包括一个前置透镜组11，优选地，包括两个前置透镜组，分别设置在左眼、右眼的前方。所述前置透镜组11可以只是一个光学透镜，也可以是一个液晶透镜组合。所述前置透镜组的光焦度为正。

所述后置透镜组13，所述后置透镜组13设于所述分光光学膜层12的另一侧，用于使用户透过所述分光光学膜层观察到的现实世界场景更加清晰。后置透镜组是一个透镜组阵列，所述后置透镜组13的光焦度为负。

在一个实施例中，前置透镜组11和后置透镜组13，可以包括玻璃透镜，也可以包括塑料透镜，或者其他具有良好透光性材料组成的透镜。在一个实施例中，前置透镜组11和后置透镜组13，可以是可变焦透镜组。所述的前置透镜组、后置透镜组可以由一个或一个上的透镜组成。进一步的，透镜组中的透镜可以有焦距可控的液晶透镜组成。

在本实施例中，眼睛10依次通过前置透镜组11，分光光学膜层12，后置透镜组13后，可以看到清晰的现实世界场景。通过将前置透镜组11，后置透镜组13的相对位置控制在一定的范围内，用户可以看到清晰的现实世界场景(即现实场景21，下文以现实场景描述)的影像。同时，通过改变前置透镜组11和后置透镜组的参数将影响现实场景在人眼中的视觉形态。同时，分光光学膜层12的参数，也将影响人眼对现实场景的观察。

在本实施例中，如果要获得真实形态的现实场景视觉，对前置透镜组11，分光光学膜层12和后置透镜组13的参数都有限制，包括前置透镜组合11，和后置的透镜阵列组合13的相对距离，两者的光焦度等。这三者的参数，都将影响现实场景在人眼中的视觉形态。

所述遮光膜层15，所述遮光膜层主要由不透光材料制成，其设置在分光光学膜层12的另一侧，且与所述后置透镜组13设置在同一侧。其中，所述遮光膜层15可以通过顶部的旋转，实现开启和关闭，如图1中箭头所示。在一种实施例中，遮光膜层15可以实现自动化和全电子化的开启和关闭。在另外一种实施例中，遮光膜层15可以实现局部的开启和关闭。

如图2所示，打开所述遮光膜层15，显示器上的图像22信息被所述分光光学膜层反射至前置透镜组11，同时，现实场景21经后置透镜组调整后，被所述分光光学膜层透射至前置透镜组，经所述前置透镜组修正后，用户通过前置透镜组观察到所述现实场景21和所述图像22信息叠加后的混合/增强现实场景。

换言之，遮光膜层12开启时，显示器16提供计算机生成图像或图像等信息时，系统可以实现增强现实或混合现实显示。即用户的眼睛10可以同时看到现实场景21，也可以同时看到虚拟场景(也即显示器16上的图像22)，人眼看到的影像是现实场景21和虚拟世界场景22的叠加。

如图3所示，在一个实施例中，如果显示器16提供的图像是具有视差的图像组合，每只眼镜看到的图像在视差上都具有一定的区别，则人眼在感受到现实场景中具有景深信息的山川31和土地33之外，还可以看到立体的人物图像32。该虚拟的人物具备景深信息，是三维的视觉影像。配合立体声技术，可以同步提供一种沉浸式、三维空间效果的声音效果，使得设备在影像和声音都能逼近现实的物理空间感觉。

关闭所述遮光膜层15，显示器16上的图像信息被所述分光光学膜层12反射至前置透镜组11，经所述前置透镜组11修正后，用户通过前置透镜组11观察到所述图像信息。

如图4所示，系统可以实现虚拟现实显示，提供一种沉浸式的感觉。此时，当显示器同时实时提供周边场景的动态，并提供计算机生成图形或图像时，则可以提供增强现实显示。

综上，该头戴式设备可以实现增强现实(augmented reality)，虚拟现实(virtual reality)，混合现实(Mixed reality)三种集中自由切换。

本发明实施例还提供了一种包含有上述头戴式显示设备的头戴式显示系统，所示头戴式显示设备与外接的视听设备有线或无线连接。

实施例2

如图5、6所示，本实施例与实施例1的技术方案基本相同，其主要区别点在于：本实施例的头戴式显示设备还包括有：滤光膜层组14，用于控制用户观察到的现实世界场景的影像的亮度。具体地，用于平衡现实场景和混合(增强)现实图案的视觉亮度和对比度。

其中，所述滤光膜层组14设置在分光光学膜层12的另一侧，且位于分光光学膜层12与后置透镜组13之间，或位于后置透镜组13与遮光膜层15之间。

如图7所示，在一个实施例中，滤光膜层组16由两层线性滤光片阵列组成。通过旋转，可以控制两层线性滤光片偏振方向的夹角，从而控制人眼看现实场景世界的真实亮度，借此来平衡现实世界场景和计算机生成图形的对比度。在一种实施例中，所述线性滤光片为线性偏振片，当两层偏振片的偏振方向一致时，现实场景的视觉亮度最大；而当两层偏振片的偏振方向相互垂直时，现实场景的视觉亮度最小。当两者的偏振方向在这两种情况时，其视觉亮度介于这两者之间。具体的视觉亮度数值，与两层偏振片的偏振方向的夹角有关。这种对现实场景和混合现实图像的视觉亮度和对比度的控制，可以是整体的，也可以局部的。进一步的，这种对现实场景和混合现实图像的视觉亮度和对比度的控制可以是人工控制的，也可以是根据环境光的强度而实现全电子化自动控制的。

本发明并不局限于上述具体实施方式，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。