头戴式显示装置的制作方法

本实用新型涉及显示技术领域，特别涉及一种头戴式显示系统装置。

背景技术：

随着科技的进步、云端数据计算方式的出现、电子器件运算能力的提升与人们追求的改变，各种现代电子系统或光学系统正朝微小型化、易携带化、高性能化的方面发展。增强现实显示(Augmented Reality，AR)技术也正逐渐进入人们的视线中，并且逐渐得到认可。

增强现实技术与虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术均属于头戴显示技术。与增强现实显示技术不同的是，在虚拟现实显示技术中，使用者看到的所有图形均由显示器提供。而在增强现实显示技术中，使用者观察到的图像为实时显示、现实场景与虚拟添加的相关信息所叠加形成的图像，可以让使用者在看到现实场景的同时，看到其相关状态，通过增强现实显示器，可以增加使用者对事物的认知，帮助使用者了解所看到的现实场景。

在现有的双眼共屏系统中，均在人眼上部中轴线位置处放置显示装置，双眼通过同一个曲面反射镜接收显示装置显示的图像。然而，这些显示装置的光学系统的像差校正难度较大，并且很难做到让左右眼正好观察到显示器屏幕上的相同位置。因此，左右眼观察的图像只有部分重合，双眼视轴不平行，存在视轴差问题。

在现有技术中，“一种增强现实的装置”(参见专利CN 103970275 A)中，公开了一种双筒目镜结构的增强现实装置。此设计中，使用的显示方式为利用双筒结构现实双目显示，透镜数目较多，增加了产品体积与重量；并且在此设计中，放置的投影装置为手机或其他移动终端，需用手持的方式进行观察，因此携带不方便。

在另一现有技术中，“一种增强现实系统”(专利CN 105068659 A)公开了一种增强现实系统的光学系统模块设计，但此设计是使用单个投影对应单眼显示的方式进行投影，没有达到单投影双眼显示的效果。而且此专利中，其镜头部分与显示部分体积均偏大，会给使用者带来一定的不便。

技术实现要素：

本实用新型旨在克服上述在先技术的不足，提供一种头戴式显示装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

在本实用新型的一个方面，提供一种头戴式显示装置，包括：依次设置的像差矫正透镜、半透半反镜和补偿透镜，待显示的图像光信息入射到所述像差矫正透镜，从所述像差矫正透镜透射的光线经过所述半透半反镜的反射后再次入射到所述像差矫正透镜，经过所述像差矫正透镜后入射到人眼；外界光线依次经过所述补偿透镜、所述半透半反镜和所述像差矫正透镜的透射后入射到人眼。

本实用新型的显示装置中，将显示单元通过三片光学透镜组合形成类似于“三明治”结构的透镜组合，能有效地解决单一反射镜无法有效校正像差的难题，包括场曲和像散像差的校正。

进一步地，所述装置还包括图像生成单元，所述图像生成单元将生成的图像光信息入射到所述像差校正透镜。

优选地，所述图像生成单元为移动智能设备。

在另一个实施例中，所述图像生成单元包括投影子单元和散射板，所述投影子单元将接收的图像电信息转换成图像光信息后投影到所述散射板，所述散射板将所述图像光信息散射后入射到所述显示单元。

进一步地，所述图像生成单元还包括图像生成子单元，所述图像生成子单元通过有线或无线连接到所述投影子单元，并向所述投影子单元发送图像信息。

在又一个实施例中，所述图像生成单元包括图像生成子单元和有机发光二极管OLED单元，所述图像生成子单元将生成的图像电信息通过有线或无线的方式发送到所述OLED单元，所述OLED单元将所述图像电信息转换成图像光信息后入射到所述像差校正透镜。

优选地，所述图像生成子单元为移动智能设备。

在又一个实施例中，所述像差矫正透镜与半透半反镜的相邻表面相配合，所述半透半反镜与所述补偿透镜的相邻表面相配合。

优选地，所述像差透镜、半透半反镜和补偿透镜依次粘合形成透镜组合。

优选地，所述像差矫正透镜、半透半反镜和补偿透镜的面型为平面、球面、非球面或自由曲面中的任一种。

优选地，所述像差矫正透镜为楔板结构。

优选地，所述像差矫正透镜为平行楔板、凸透镜、凹透镜或弯月透镜中的任一种。

优选地，所述补偿透镜为楔板结构。

优选地，所述补偿透镜为平行楔板、凸透镜、凹透镜或弯月透镜中的任一种。

优选地，所述补偿透镜的远离人眼的一面上具有增透膜。

在又一个实施例中，所述像差矫正透镜的靠近人眼的一面上的靠近所述图像生成单元的一侧具有全反射区域，所述全反射区域用于当从所述半透半反镜反射的图像光信息满足全反射条件时，将入射到所述全反射区域的图像光信息全反射到所述半透半反镜，并且当从所述半透半反镜反射的图像光信息不满足全反射条件时，将入射到所述全反射区域的图像光信息透射后入射到人眼。

优选地，所述全反射区域通过镀膜形成。

在又一个实施例中，所述装置还包括第二显示单元，所述显示单元和第二显示单元将接收的待显示的图像光信息分别入射到不同的人眼中。

优选地，所述显示单元与所述第二显示单元为一体化结构。

与在先技术相比，本实用新型的显示装置中，本实用新型的头戴式显示装置，通过三片光学透镜组合形成类似于“三明治”结构的透镜组合，能有效解决单一反射镜无法有效校正像差的难题，包括场曲和像散像差的校正。并且该透镜组合有利于缩短光路，减小显示装置的整体重量，并有效降低系统的体积。此外，上述装置采用一个投影单元作为图像源，能够降低成本，减小系统体积和重量，便于用户佩戴。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了本实用新型的头戴式显示装置的结构示意图。

图2示出了本实用新型的显示单元的一个实施例的结构示意图。

图3示出了本实用新型的显示单元的另一个实施例的结构示意图。

图4示出了本实用新型的头戴式显示装置的实施例一的结构示意图。

图5示出了不设置像差校正透镜和补偿透镜时的显示装置的双眼观察图像示意图。

图6示出了本实用新型的头戴式显示装置的实施例二的光路示意图。

图7示出了本实用新型的头戴式显示装置的实施例三的光路示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示出了本实用新型的头戴式显示装置的结构示意图。

本实用新型的实施例中，提供一种头戴式显示装置，如图1所示，其包括：依次设置的像差校正透镜12、半透半反镜13和补偿透镜14，待显示的图像光信息入射到像差校正透镜12后，经过像差校正透镜12的透射后入射到半透半反镜13，然后经过半透半反镜13将图像光信息反射后再经过像差校正透镜12的透射后入射到人眼15。另外，外界光线依次经过补偿透镜14、半透半反镜13和像差校正透镜12的透射后入射到人眼15。

上述实施例中，像差校正透镜12对入射的光线进行偏折，改变光线入射到半透半反镜13的角度和位置，从而实现了像差的校正。补偿镜14对像差校正透镜12进行成像补偿，使外界景物的光线在人眼中成像时不发生变形。

进一步地，上述显示装置还包括图像生成单元16，用于生成待显示的图像光信息。

在一个实施例中，图像生成单元为直接显示图像光信息的移动智能设备，如通过电脑、手机等设备直接显示图像。

在另一个实施例中，图像生成单元包括图像生成子单元、投影子单元和散射板，图像生成子单元为生成图像电信息的移动智能设备，如电脑、手机以及其他可以传输图像电信息的设备，图像生成子单元将图像电信息通过无线或有线传输到投影子单元，投影子单元将接收的图像电信息转换成光信号，然后投影到散射板，通过散射板散射将图像光信息入射到显示单元。通过使用投影单元和散射板，使得本实用新型的实施例的显示装置，其戴在头上的部分不包括图像生成子单元，从而能够减小戴在头部的装置的体积和重量，同时，可以扩大图像生成子单元的类型，而不限制在电脑、手机等设备，任何可以传输图像电信息的设备均可以用于本实施例。

此外，在又一个实施例中，上述实施例的投影子单元和散射板结构也可以使用发光二极管OLED单元来代替。

在上述的实施例中，像差校正透镜12与半透半反镜13的相邻表面相配合，半透半反镜13与补偿透镜14的相邻表面相配合，即像差校正透镜12与半透半反镜13的相邻表面的面型相同，半透半反镜13与补偿透镜14的相邻表面面型相同，从而使得三个透镜之间可以通过如UV胶等的粘合剂粘合在一起，形成透镜组合。此外，也可以通过机械结构进行组合，形成透镜组合，从而可以减小显示单元的体积。

进一步地，上述的像差校正透镜12、半透半反镜13和补偿透镜14的面型可以是平面、球面、非球面和自由曲面中的任一种。并且像差校正透镜12和补偿透镜14可以制成楔板结构，可以为平行楔板、凸透镜、凹透镜或弯月透镜中的一种，如图2和图3所示，其具体类型，根据具体的设计进行选择。

此外，为了增加透射效果，在补偿透镜的远离人眼的一面上可以镀有增透膜，使得外界光线能够更好地通过显示单元入射到人眼。

此外，在进一步的实施例中，所述像差矫正透镜12的靠近人眼且靠近图像生成单元的一侧具有全反射区域，该全反射区域对从半透半反镜13反射回来的图像光信息满足全反射条件，使得被半透半反镜13反射到像差矫正透镜12的图像光信息在此全反射区域再次反射，该反射次数可以为一次、两次或者更多次，当图像光信息在该全反射区域不再满足全反射条件时，图像光信息透过像差矫正透镜12透射后入射到人眼。

在一个具体的实施例中，该全反射区域可以通过镀膜来实现，如镀全反射膜，另外，也可以根据像差校正透镜12的材料以及面型来设置实现全反射。

本实用新型的上述实施例的头戴式显示装置，可以使用与单眼式头戴式装备，可以用于双眼式头戴式装备。具体地，在使用于双眼式头戴式装备时，可以设置与显示单元相同的第二显示单元，从而两个显示单元将图像分别入射到使用者的左右眼中。

此外，在进一步的实施例中，双眼式头戴式装备的第二显示单元也可以使用与显示单元功能相同装置，其第二显示单元的结构可以与上述的显示单元相同，也可以不同，在此不做具体限定。

本实用新型的实施例上述的头戴式显示装置，通过三片光学透镜组合形成类似于“三明治”结构的透镜组合，能有效解决单一反射镜无法有效校正像差的难题，包括场曲和像散像差的校正。并且该透镜组合有利于缩短光路，减小显示装置的整体重量，并有效降低系统的体积。此外，上述装置采用一个投影单元作为图像源，能够降低成本，减小系统体积和重量，便于用户佩戴。

以下以双眼式头戴式显示装置为例，结合附图详细说明本实用新型的显示装置。

实施例一

图4示出了本实用新型的头戴式显示装置的实施例一的结构示意图。

如图4所示，本实施例的显示装置的图像生成单元包括投影子单元1、散射板2，并且按照光路入射方向，显示装置还包括依次设置的第一像差校正透镜20、第二像差校正透镜21、第一半透半反镜22、第二半透半反镜23、第一补偿透镜24和第二补偿透镜25。

本实施例中，散射板2可以将投影子单元1发出的图像光信息(以下可以简称光线)进行散射，进行成像显示，并且能够以自身为光源，把投影子单元1发出的光分散到第一像差校正透镜20和第二像差校正透镜21上。以第一像差校正透镜20所在的显示单元为例，第一像差校正透镜21对散射板2发出的光线进行偏折，改变光线在第一半透半反镜22上的角度和位置，实现像差校正。第一半透半反镜22将光线进行反射后，再经过第一像差校正透镜20的透射后入射到人的一只眼睛3中进行成像。同理，第二显示单元的光路与上述相同，出射后的图像进入到人的另一只眼睛中，在此不再详述。

通过上述的光学系统设置，一个投影子单元1发出的光线可以得到左右眼的分离显示的效果，并且由于待显示图像是同一个，因此使用者左右眼观察到的图像在时间和像质上具有高度的一致性。如图4中11为人眼观察显示装置时，左右眼所观察到的图像的像面所在的位置。

此外，第一补偿透镜24和第二补偿透镜25分别对外界事物进入人眼的光线进行像差补偿，使其在人双眼中成像时的形变尽量小，甚至为零，使本显示装置的增强现实的功能得以实现。

本实施例的显示装置中，通过第一像差校正透镜20、第二像差校正透镜21和第一半透半反镜22、第二半透半反镜23的设置，能够实现双眼视轴平行，第一补偿透镜24、第二补偿透镜25能够提高人眼对外界事物的观察效果，因此，使用上述三种透镜制成显示单元，从而保证高质量的增强现实的显示效果。

此外，本实施例中，显示单元的第一像差校正透镜20、第一半反半透镜22和第一补偿透镜24之间可以胶合或是机械组合，也可以根据具体的光路设计三个透镜之间的距离。同理，显示单元的第二像差校正透镜21、第二半反半透镜23和第二补偿透镜25之间可以胶合或是机械组合，也可以根据具体的光路设计三个透镜之间的距离。

此外，当第一像差校正透镜20、第一半反半透镜22和第一补偿透镜24之间胶合时，相邻的两个透镜的胶合面结构相配合，从而使得胶合程度高。当第二像差校正透镜21、第二半反半透镜23和第二补偿透镜25之间胶合时，相邻的两个透镜的胶合面结构相配合，从而使得胶合程度高。

图5示出了不设置像差校正透镜和补偿透镜时的显示装置的双眼观察图像示意图。如图5中显示，若显示装置不设置像差校正透镜和补偿透镜，显示单元只为单一半透半反镜7和8时，双眼观察到的图像由于具有一定的角度差和位置差，使得不能重合，如图中位置102所示，即双眼观察时视轴不一致，从而增加使用者在观察图像时的难度，引起视觉疲劳。因此，本实施例的显示装置，通过使用像差校正透镜和补偿透镜，能够对双眼看到的图像的位置差和角度差进行校正，从而使得双眼观察时视轴一致，看到的图像重合，从而实现高质量的增强现实的显示效果。

实施例二

图6示出了本实用新型的头戴式显示装置的实施例二的光路示意图。

如图6所示，本实施例中，第一像差校正透镜20和第二像差校正透镜21的靠近人眼且靠近图像生成单元19的一侧具有全反射区域，该全反射区域对从第一半透半反镜22和第二半透半反镜23反射回来的图像光信息满足全反射条件。以第一像差校正透镜20所在的透镜组为例，使得被第一半透半反镜22再次反射到第一像差矫正透镜20的图像光信息在该全反射区域发生全反射，全反射的次数可以为一次、两次或者更多次，当图像光信息在该全反射区域不再满足全反射条件时，图像光信息透过第一像差矫正透镜20透射后入射到人眼。图像光信息在第一像差矫正透镜20和第一半透半反镜22之间的往返反射可以通过在第一像差矫正透镜20在靠近人眼的一侧镀膜实现。外界光线依次通过第一补偿透镜24、第一半透半反镜22和第一像差校正透镜20的透射后进入到人眼。同时，第二像差校正透镜21所在的透镜组的光路图与上述一致，在此不再详述。

本实施例的图像生成单元19可以直接使用可以产生图像的设备，也可以使用生成图像电信息的设备，配合投影单元和散射板使用，或配合OLED使用，在此不做限定。

在上述过程中，图像光信息在第一像差校正透镜20与第一半透半反镜21之间和第二像差校正透镜21与第二半透半反镜23之间分别进行了一次、两次或者更多次反射，从而使得显示装置对成像的像差校正效果更佳。此外，由于外界光线入射角度与图像光信息的入射角度不同，因此在第一像差校正透镜20和第二像差校正透镜21上不影响外界光线的入射，从而可以保证使用者的视外效果。

实施例三

图7示出了本实用新型的头戴式显示装置的实施例三的光路示意图。

如图7所示，本实施例以上述实施例的显示装置的其中一个显示单元进入人的一只眼睛为例。从图中可以看出，本显示装置能够在人眼的正前方进行成像，并且显示单元的整体结构呈增透形式，使得使用者在观察所成图像的同时，可以观察到位于自身前方的外界环境情况，实现增强现实的作用。

在本实施例中，投影子单元1使用某公司的微型投影仪，其分辨率为854*480，投影距离在50mm至无穷远。第二像差校正透镜21和第二半透半反镜23一起采用自由曲面设计。第二补偿透镜25的靠近过人眼的表面与第二半透半反镜23的远离人眼的表面面型相同，第二半透半反镜23的靠近人眼的表面与第二像差校正透镜21远离人眼的表面面型相同。另一个显示单元的结构和配置与上述相同，在此不再赘述。

根据以上设置，本实施例的显示装置的视场如图7中11所示，该显示装置对微投影单元发出的光线进行像差校正，同时利用补偿透镜对外界光线进行补偿。

在本实用新型所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法、装置和电子设备，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本实用新型各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。