本實用新型實施方式涉及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種頭戴式顯示器。

背景技術(shù)：

頭戴式顯示器是近年來發(fā)展的一項新技術(shù)，按照具體的應(yīng)用主要分為VR(Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實)和AR(Augmented Reality，增強(qiáng)現(xiàn)實)兩種。AR的原理是在通過頭戴式顯示器模擬虛擬視覺，疊加在用戶正常的視覺上。目前，AR頭戴式顯示器有光學(xué)透視式和視頻透視式這兩種實現(xiàn)方式，其主要區(qū)別在于光學(xué)合成裝置不同。

其中，光學(xué)透視式的頭戴式顯示器中的光學(xué)合成裝置是一種部分透射、部分反射的元件，來自真實環(huán)境的光線部分通過該種元件，虛擬圖像信息則投影在該種元件上，進(jìn)而被其反射到用戶眼中，從而合成真實和虛擬圖像信息。

在實現(xiàn)本實用新型過程中，實用新型人發(fā)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)中至少存在如下問題：AR頭戴式顯示器的視場區(qū)域(Field of View)通常比較小，用戶無法有效率地與虛擬圖像信息進(jìn)行互動，另外，也無法形成3D虛擬場景的視覺。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型實施方式主要解決的技術(shù)問題是提供一種視場區(qū)域較大、能夠形成3D虛擬場景的視覺的頭戴式顯示器。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型實施方式提供一種頭戴式顯示器，包括：

頭戴框架，用于佩戴在用戶的頭部；

兩個透視型導(dǎo)光元件，每一所述透視型導(dǎo)光元件具有一凹面，所述凹面朝向用戶的雙眼設(shè)置；經(jīng)由一所述透視型導(dǎo)光元件的凹面反射的第一光線進(jìn)入用戶的左眼，以及經(jīng)由另一所述透視型導(dǎo)光元件的凹面反射的第二光線進(jìn)入用戶的右眼，以形成3D虛擬場景的視覺；其中，所述第一光線包含左眼虛擬圖像信息，所述第二光線包含右眼虛擬圖像信息；

所述凹面的面型凹陷值sag(x，y)滿足：

其中，(x,y)是透視型導(dǎo)光元件的凹面在XY坐標(biāo)面上的投影點坐標(biāo)，c是所述凹面的基本曲率，k是所述凹面的基本圓錐系數(shù)，N是多項式的數(shù)量，A_i是第i階多項式的系數(shù)，E_i(x，y)是標(biāo)準(zhǔn)的兩個變量(x,y)的二元冪級數(shù)多項式；

或者，

其中，(x,y)是透視型導(dǎo)光元件的凹面在XY坐標(biāo)面上的投影點坐標(biāo)，c是所述凹面的基本曲率,N是x方向多項式的數(shù)量，M是y方向多項式的數(shù)量,a_ij是第ij階多項式分部總和的系數(shù)，和是將x坐標(biāo)和y坐標(biāo)重新定義到[-1,1]區(qū)間以后的標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)；

其中，max(|x|)是x絕對值中的最大值，max(|y|)是y絕對值中的最大值；

或者，

其中，(x,y)是透視型導(dǎo)光元件的凹面在XY坐標(biāo)面上的投影點坐標(biāo)，c是所述凹面的基本曲率，k是所述凹面的基本圓錐系數(shù),a_i是第i階非球面變量的系數(shù)，N是標(biāo)準(zhǔn)Zernike多項式的數(shù)量，ρ和分別是x坐標(biāo)和y坐標(biāo)相對應(yīng)的極坐標(biāo)，ρ的區(qū)間范圍是[0，1],的區(qū)間范圍是[0，2π]，A_i是第i階多項式的系數(shù)，是第i階標(biāo)準(zhǔn)Zernike多項式；

或者，

其中，(x,y)是透視型導(dǎo)光元件的凹面在XY坐標(biāo)面上的投影點坐標(biāo)，c_x是所述凹面在x方向的基本曲率，k_x是所述凹面在x方向的基本圓錐系數(shù),c_y是所述凹面在y方向的基本曲率，k_y是所述凹面在y方向的基本圓錐系數(shù),α₄是軸向?qū)ΨQ的第4高階系數(shù)，β₄是軸向不對稱的第4高階系數(shù)，α₆是軸向?qū)ΨQ的第6高階系數(shù)，β₆是軸向不對稱的第6高階系數(shù)，α₈是軸向?qū)ΨQ的第8高階系數(shù)，β₈是軸向不對稱的第8高階系數(shù)，α₁₀是軸向?qū)ΨQ的第10高階系數(shù)，β₁₀是軸向不對稱的第10高階系數(shù)。

其中，每一所述透視型導(dǎo)光元件還具有一與所述凹面相背設(shè)置的凸面；經(jīng)由每一所述透視型導(dǎo)光元件的凸面和凹面透射的包含外界圖像信息的第三光線進(jìn)入用戶的雙眼，以形成混合3D虛擬場景和真實場景的視覺。

本實用新型實施方式的有益效果是：通過兩個透視型導(dǎo)光元件的凹面更多地將包含左眼虛擬圖像信息的第一光線和包含右眼虛擬圖像信息的第二光線分別反射進(jìn)入用戶的雙眼，從而在用戶的大腦中形成3D虛擬場景的視覺感受，視覺區(qū)域較大。另外，經(jīng)由透視型導(dǎo)光元件的凸面和凹面透射的包含外界圖像信息的第三光線進(jìn)入用戶的雙眼，用戶能夠看到外界的真實場景，從而形成混合3D虛擬場景和真實場景的視覺感受。

附圖說明

一個或多個實施例通過與之對應(yīng)的附圖中的圖片進(jìn)行示例性說明，這些示例性說明并不構(gòu)成對實施例的限定，附圖中具有相同參考數(shù)字標(biāo)號的元件表示為類似的元件，除非有特別申明，附圖中的圖不構(gòu)成比例限制。

圖1是本實用新型實施例提供的一種頭戴式顯示器的應(yīng)用原理示意圖；

圖1a是圖1中所示設(shè)有遮光層的透視型導(dǎo)光元件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1b是本實用新型實施例提供的一種頭戴式顯示器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1c是顯示模塊中顯示屏一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1d是顯示模塊中顯示屏又一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1e是顯示模塊中顯示屏又一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1f是顯示模組中顯示屏又一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是用于介紹凹面的面型凹陷值所作出的透視型導(dǎo)光元件的剖視圖；

圖3是用于介紹面型凹陷值所作出的透視型導(dǎo)光元件的俯視圖；

圖4是用于介紹凸面的面型凹陷值所作出的透視型導(dǎo)光元件的剖視圖；

圖5是圖1中所示頭戴式顯示器中部分結(jié)構(gòu)的擺放角度、光線反射示意圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本實用新型實施例提供的一種頭戴式顯示器，包括：頭戴框架、顯示模塊、兩個透視型導(dǎo)光元件。其中，透視型導(dǎo)光元件是一種部分透射、部分反射的光學(xué)合成裝置。

本實用新型實施例中，頭戴框架用于佩戴在用戶的頭部，每一透視型導(dǎo)光元件具有一凹面，凹面朝向用戶的雙眼設(shè)置。經(jīng)由一透視型導(dǎo)光元件的凹面反射的第一光線進(jìn)入用戶的左眼，以及經(jīng)由另一透視型導(dǎo)光元件的凹面反射的第二光線用戶的右眼，以在用戶的頭腦中形成3D虛擬場景的視覺。其中，第一光線是由顯示模塊發(fā)射的，且第一光線包含左眼虛擬圖像信息，第二光線是由顯示模塊發(fā)射的，且第二光線包含右眼虛擬圖像信息。

需要說明的是，顯示模塊可拆卸安裝于頭戴框架上，比如，顯示模塊為手機(jī)、平板電腦等智能顯示終端；或者，顯示模塊固定安裝于頭戴框架上，比如，顯示模塊與頭戴框架集成設(shè)計。

頭戴框架上可以安裝兩個顯示模塊，用戶的左眼和右眼分別對應(yīng)地設(shè)置一個顯示模塊，例如，一個顯示模塊用于發(fā)射包含左眼虛擬圖像信息的第一光線，另一個顯示模塊用于發(fā)射包含右眼虛擬圖像信息的第二光線。頭戴框架上也可以安裝單個顯示模塊，該單個顯示模塊上有兩個顯示區(qū)域，一個顯示區(qū)域用于發(fā)射包含左眼虛擬圖像信息的第一光線，另一個顯示區(qū)域用于發(fā)射包含右眼虛擬圖像信息的第二光線。

顯示模塊包括但不限于LCD(Liquid Crystal Display，液晶顯示器)、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有機(jī)發(fā)光二極管)、LCOS(Liquid Crystal On Silicon，硅基液晶)等類型的顯示器。

頭戴框架可以是用于掛在用戶耳部和鼻梁部的眼鏡式的框架結(jié)構(gòu)，也可以是用于佩戴在用戶頭頂和鼻梁部的頭盔式框架結(jié)構(gòu)。本實用新型實施例中，由于頭戴框架的主要作用是用來佩戴在用戶的頭部以及為顯示模塊、透視型導(dǎo)光元件等光、電元器件提供支撐，頭戴框架包括但不限于上述方式，在具備上述主要作用的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)實際應(yīng)用的需要對頭戴框架作出若干變形。

下面結(jié)合具體附圖對本實用新型實施例作具體闡述。

圖1是本實用新型實施例提供的一種頭戴式顯示器的應(yīng)用原理示意圖。

顯示模塊12發(fā)射包含左眼虛擬圖像信息的第一光線121，經(jīng)由一透視型導(dǎo)光元件13的凹面131反射的第一光線121進(jìn)入用戶的左眼14；同理，顯示模塊發(fā)射包含右眼虛擬圖像信息的第二光線，經(jīng)由另一透視型導(dǎo)光元件的凹面反射的第二光線進(jìn)入用戶的右眼，從而在用戶的大腦中形成3D虛擬場景的視覺感受，另外，不同于谷歌眼鏡中通過在用戶的右眼前直接設(shè)置一塊小型顯示屏的方式，導(dǎo)致視覺區(qū)域較小，本實用新型實施例中，通過兩個透視型導(dǎo)光元件反射更多的顯示模塊發(fā)射的第一光線和第二光線分別進(jìn)入用戶的雙眼，視覺區(qū)域較大。

在本實用新型實施例中，當(dāng)頭戴式顯示器實現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實的功能，每一透視型導(dǎo)光元件還具有一與凹面相背設(shè)置的凸面；經(jīng)由透視型導(dǎo)光元件的凸面和凹面透射的包含外界圖像信息的第三光線進(jìn)入用戶的雙眼，以形成混合3D虛擬場景和真實場景的視覺。再次參閱圖1，一透視型導(dǎo)光元件13還具有與凹面131相背設(shè)置的凸面132，經(jīng)由透視型導(dǎo)光元件13的凸面132和凹面131透射的包含外界圖像信息的第三光線151進(jìn)入用戶的左眼14，同理，另一透視型導(dǎo)光元件還具有與其凹面相背設(shè)置的凸面，經(jīng)由該透視型導(dǎo)光元件的凸面和凹面透射的包含外界圖像信息的第三光線進(jìn)入用戶的右眼，用戶能夠看到外界的真實場景，從而形成混合3D虛擬場景和真實場景的視覺感受。

在本實用新型實施例中，當(dāng)頭戴式顯示器實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的功能，每一透視型導(dǎo)光元件的與凹面相背設(shè)置的另一表面包括但不限于凸面形狀，為了阻擋包含外界圖像信息的第三光線進(jìn)入用戶的雙眼，即避免用戶看到外界的真實場景，如圖1a所示，可以在透視型導(dǎo)光元件13的與凹面131相背設(shè)置的另一表面上鍍有或者粘貼有遮光層16；如圖1b所示，也可以在頭戴框架17上設(shè)置用于阻擋包含外界圖像信息的第三光線進(jìn)入用戶的雙眼的遮光罩171，僅使得顯示模塊發(fā)射的包含左眼虛擬圖像信息的第一光線以及包含右眼虛擬圖像信息的第二光線進(jìn)入用戶的雙眼，在用戶的大腦中形成3D虛擬場景的視覺感受，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的功能。

在本實用新型實施例中，顯示模塊12包括顯示屏，如圖1c所示，所述顯示屏可以是面型為球面的顯示屏18，該顯示屏18的球面的曲率半徑為正，即顯示屏18的發(fā)光表面181為凸面；如圖1d所示，所述顯示屏可以是面型為球面的顯示屏19，該顯示屏19的球面的曲率半徑為負(fù)，即顯示屏19的發(fā)光表面191為凹面；如圖1e所示，所述顯示屏也可以是面型為柱面的顯示屏20，該顯示屏20的柱面的曲率半徑為正，即顯示屏20的發(fā)光表面201為外凸的柱面；如圖1f所示，所述顯示屏也可以是面型為柱面的顯示屏21，該顯示屏21的柱面的曲率半徑為負(fù)，即顯示屏21的發(fā)光表面211為內(nèi)凹的柱面。

為了實現(xiàn)加載在顯示模塊發(fā)射的第一光線和第二光線中的左眼虛擬圖像信息和右眼虛擬圖像信息高質(zhì)量地呈現(xiàn)在用戶的雙眼視網(wǎng)膜上，兩個透視型導(dǎo)光元件的凹面需要能夠平衡用戶的雙眼自帶的像差、透視型導(dǎo)光元件傾斜拜訪所帶來的像差等，基于此，根據(jù)四種特殊函數(shù)來設(shè)計透視型導(dǎo)光元件的凹面，說明如下。

如圖2所示，在光學(xué)概念中，面型凹陷值是指光學(xué)元件表面的不同區(qū)域在Z軸方向上距離光學(xué)元件表面的中心點O的距離。本實用新型實施例中，光學(xué)元件是指透視型導(dǎo)光元件，光學(xué)元件表面是指透視型導(dǎo)光元件的凹面，透視型導(dǎo)光元件的凹面的面型凹陷值是sag(x，y)，如圖3 所示，透視型導(dǎo)光元件的凹面在XY坐標(biāo)面上的投影點坐標(biāo)是(x,y)。

一、透視型導(dǎo)光元件的凹面根據(jù)如下冪級數(shù)多項式函數(shù)設(shè)計：

其中，c是所述凹面和/或凸面的基本曲率，k是所述凹面和/或凸面的基本圓錐系數(shù)，N是多項式的數(shù)量，A_i是第i階多項式的系數(shù)，E_i(x，y)是標(biāo)準(zhǔn)的兩個變量(x,y)的二元冪級數(shù)多項式。

二、透視型導(dǎo)光元件的凹面根據(jù)如下Chebyshev多項式函數(shù)設(shè)計：

其中，c是所述凹面和/或凸面的基本曲率,N是x方向多項式的數(shù)量，M是y方向多項式的數(shù)量,a_ij是第ij階多項式分部總和的系數(shù)，和是將x坐標(biāo)和y坐標(biāo)重新定義到[-1,1]區(qū)間以后的標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)；

其中，max(|x|)是x絕對值中的最大值，max(|y|)是y絕對值中的最大值。

三、透視型導(dǎo)光元件的凹面根據(jù)如下標(biāo)準(zhǔn)Zernike多項式函數(shù)設(shè)計：

其中，c是所述凹面和/或凸面的基本曲率，k是所述凹面和/或凸面的基本圓錐系數(shù),a_i是第i階非球面變量的系數(shù)，N是標(biāo)準(zhǔn)Zernike多項式的數(shù)量，ρ和分別是x坐標(biāo)和y坐標(biāo)相對應(yīng)的極坐標(biāo)，ρ的區(qū)間范圍是[0，1],的區(qū)間范圍是[0，2π]，A_i是第i階多項式的系數(shù)，是第i階標(biāo)準(zhǔn)Zernike多項式。

四、透視型導(dǎo)光元件的凹面根據(jù)如下Anamorphic函數(shù)設(shè)計：

其中，c_x是所述凹面和/或凸面在x方向的基本曲率，k_x是所述凹面和/或凸面在x方向的基本圓錐系數(shù),c_y是所述凹面和/或凸面在y方向的基本曲率，k_y是所述凹面和/或凸面在y方向的基本圓錐系數(shù),α₄是軸向?qū)ΨQ的第4高階系數(shù)，β₄是軸向不對稱的第4高階系數(shù)，α₆是軸向?qū)ΨQ的第6高階系數(shù)，β₆是軸向不對稱的第6高階系數(shù)，α₈是軸向?qū)ΨQ的第8高階系數(shù)，β₈是軸向不對稱的第8高階系數(shù)，α₁₀是軸向?qū)ΨQ的第10高階系數(shù)，β₁₀是軸向不對稱的第10高階系數(shù)。

如圖4所示，在上述光學(xué)概念中，光學(xué)元件是指透視型導(dǎo)光元件，光學(xué)元件表面是指透視型導(dǎo)光元件的凸面，透視型導(dǎo)光元件的凸面的面型凹陷值是sag(x，y)，如圖3所示，透視型導(dǎo)光元件的凸面在XY坐標(biāo)面上的投影點坐標(biāo)是(x,y)，為了保證包含外界圖像信息的第三光線進(jìn)入用戶的雙眼時，減少受到的干擾，根據(jù)上述冪級數(shù)多項式函數(shù)、Chebyshev多項式函數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)Zernike多項式函數(shù)、Anamorphic函數(shù)中任一一種函數(shù)來設(shè)計透視型導(dǎo)光元件的凸面。

在頭戴式顯示器實現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實的實際應(yīng)用中，為了增加透視型導(dǎo)光元件的凹面對顯示模塊發(fā)射的第一光線和第二光線的反射率，例如，透視型導(dǎo)光元件的凹面鍍有反射膜，較佳的，鍍有反射膜的透視型導(dǎo)光元件的凹面的反射率是20％-80％。又如，若第一光線和第二光線是線偏振光，為了增加透視型導(dǎo)光元件的凹面的反射率，透視型導(dǎo)光元件的凹面鍍有偏振反射膜，偏振反射膜的偏振方向與第一光線和第二光線的偏振方向之間的角度大于70°且小于等于90°，比如：偏振反射膜的偏振方向與第一光線和第二光線的偏振方向垂直，實現(xiàn)近乎為100％的反射率，另外，由于包含外界圖像信息的第三光線是非偏振光，若透視型導(dǎo)光元件的凹面鍍有偏振反射膜，當(dāng)?shù)谌饩€經(jīng)由該偏振反射膜時，有近乎50％的第三光線進(jìn)入用戶的雙眼，用戶仍然能夠看到外界的真實場景。為了更好地讓包含外界圖像信息的第三光線進(jìn)入用戶的雙眼，透視型導(dǎo)光元件的凸面鍍有增透膜。

由于人眼的生理視場中，不同區(qū)域的重要程度不同，為了能夠?qū)⒔?jīng)由透視型導(dǎo)光元件的凹面反射的第一光線和第二光線進(jìn)入人眼的生理視場的重要區(qū)域，較佳的，如圖5所示，顯示模塊12相對于水平方向的擺放角度一是5°至70°之間的任一角度；第一光線中進(jìn)入用戶的左眼14視場上沿的反射光線521與入射光線522的角度二小于90°；第一光線中進(jìn)入用戶的左眼14視場下沿的反射光線531與入射光線532 的角度三大于35°；第一光線中進(jìn)入用戶的左眼14視場上沿和視場下沿之間的反射光線與入射光線的角度在35°至90°之間。需要說明的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠根據(jù)實際應(yīng)用的需要，通過調(diào)整顯示模塊12相對于水平方向的擺放角度一以及透視型導(dǎo)光元件13的擺放角度來調(diào)節(jié)角度二和角度三，以達(dá)到最佳效果，提高左眼虛擬圖像信息和右眼虛擬圖像信息的有效利用率，提升用戶體驗。

本實用新型實施例提供的一種頭戴式顯示器，通過兩個透視型導(dǎo)光元件的凹面更多地將包含左眼虛擬圖像信息的第一光線和包含右眼虛擬圖像信息的第二光線分別反射進(jìn)入用戶的雙眼，從而在用戶的大腦中形成3D虛擬場景的視覺感受，視覺區(qū)域較大。

以上所述僅為本實用新型的實施方式，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是利用本實用新型說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本實用新型的專利保護(hù)范圍內(nèi)。