本發(fā)明涉及立體顯示技術領域，尤其涉及一種頭戴式圖像顯示裝置。

背景技術：
隨著科學技術的發(fā)展，頭戴式顯示裝置的應用越來越廣泛。在應用于增強現(xiàn)實顯示技術中時，需要頭戴式顯示裝置具有較高的透明度和較大的視場角，并且不對外界進入人眼的光線產(chǎn)生偏折?，F(xiàn)有技術中的頭戴式顯示裝置，例如采用全息光柵和光波導的技術設計的頭戴式顯示裝置，制作工藝復雜、成本高、存在色散，且視場角較小；采用的Waveguideswithmicroreflector技術實現(xiàn)透視效果顯示器，制作難度大、成本高、視場有限；采用基于微透鏡陣列的集成顯示技術制作的智能眼鏡分辨率低、像差大、不具有透視功能；利用雙投影設備+雙凹面鏡結構實現(xiàn)透視效果的智能眼鏡，成像面的位置固定、不具備調(diào)焦的功能，且成本較高、設備較厚重。綜上，如何控制成本加工制造透明度和視場角均滿足需求的頭戴式顯示裝置是增強現(xiàn)實顯示技術領域亟待解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種頭戴式圖像顯示裝置，解決了現(xiàn)有技術中頭戴式顯示裝置制造成本高，且視場角較小的問題。依據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種頭戴式圖像顯示裝置，包括：通光區(qū)域、位于通光區(qū)域內(nèi)的圖像顯示器、開設有小孔陣列的第一半透半反鏡、第一光學元件和第二光學元件；其中，圖像顯示器顯示的圖像信號經(jīng)第一半透半反鏡反射后形成第一4D光場，圖像顯示器顯示的圖像信號經(jīng)第一半透半反鏡的小孔陣列衍射后形成第二4D光場，第一4D光場經(jīng)第一光學元件反射入佩戴者的一只眼中，并在佩戴者的視線前方形成第一立體虛像，第二4D光場經(jīng)第二光學元件處理后反射入佩戴者的另一只眼中，并在佩戴者的視線前方形成第二立體虛像；其中，第一立體虛像和第二立體虛像重合。其中，該頭戴式圖像顯示裝置還包括第三光學元件，圖像顯示器顯示的圖像信號經(jīng)第三光學元件反射后形成一倒立實像，第一半透半反鏡對倒立實像處理后形成第一4D光場和第二4D光場。其中，第一光學元件包括第二半透半反鏡，第二半透半反鏡將經(jīng)第一半透半反鏡反射形成的第一4D光場反射至佩戴者的一只眼中，并在佩戴者的視線前方形成第一立體虛像。其中，第一光學元件包括第三半透半反鏡和平面鏡；其中，第一半透半反鏡的小孔陣列衍射形成的第二4D光場經(jīng)平面鏡反射后，再經(jīng)第三半透半反鏡反射入佩戴者的另一只眼中，并在佩戴者的視線前方形成第二立體虛像。其中，通光區(qū)域包括相互連通且呈一定角度的第一通光區(qū)域和第二通光區(qū)域；其中，在第一通光區(qū)域和第二通光區(qū)域的連接處設置有第三光學元件，第三光學元件包括全反射的凹面鏡，圖像顯示器位于第一通光區(qū)域內(nèi)，第一半透半反鏡、第一光學元件和第二光學元件均位于第二通光區(qū)域內(nèi)；圖像顯示器顯示的圖像信號經(jīng)過凹面鏡反射后在第二通光區(qū)域內(nèi)形成一倒立實像。其中，凹面鏡的成像公式為：式中，a表示凹面鏡與圖像顯示器之間的距離，b表示凹面鏡與倒立實像之間的距離，fa表示凹面鏡的焦距；其中，圖像顯示器位于凹面鏡兩倍焦距處或兩倍焦距外。本發(fā)明的實施例的有益效果是：本發(fā)明的頭戴式圖像顯示裝置的圖像顯示器顯示的圖像信號通過開設有小孔陣列的第一半透半反鏡反射后形成第一4D光場，圖像顯示器顯示的圖像信號經(jīng)第一半透半反鏡的小孔陣列衍射后形成第二4D光場，并分別投射至佩戴者的雙眼中，以在佩戴者的視線前方形成放大的立體虛像，該裝置僅需要一個圖像顯示器件，制造成本低、輕薄便攜，且能夠實現(xiàn)立體投影顯示。附圖說明圖1表示本發(fā)明的頭戴式圖像顯示裝置的結構示意圖；圖2表示本發(fā)明的頭戴式圖像顯示裝置的成像原理示意圖；圖3表示本發(fā)明的頭戴式圖像顯示裝置的右眼成像原理示意圖；圖4表示本發(fā)明的頭戴式圖像顯示裝置的左眼成像原理示意圖。其中圖中：1、通光區(qū)域，2、圖像顯示器，3、第一半透半反鏡，4、第一光學元件，5、第二光學元件，6、第三光學元件；31、小孔陣列；41、第二半透半反鏡；51、第三半透半反鏡，52、平面鏡；61、凹面鏡；101、第一立體虛像，102、第二立體虛像；201、第一4D光場，202、第二4D光場。具體實施方式下面將參照附圖更詳細地描述本發(fā)明的示例性實施例。雖然附圖中顯示了本發(fā)明的示例性實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現(xiàn)本發(fā)明而不應被這里闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本發(fā)明，并且能夠將本發(fā)明的范圍完整的傳達給本領域的技術人員。實施例如圖1至圖4所示，本發(fā)明的實施例提供了一種頭戴式圖像顯示裝置，包括：通光區(qū)域1、以及位于通光區(qū)域1內(nèi)的圖像顯示器2、開設有小孔陣列的第一半透半反鏡3、第一光學元件4和第二光學元件5；其中，圖像顯示器2顯示的圖像信號經(jīng)第一半透半反鏡3反射后形成第一4D光場201，圖像顯示器2顯示的圖像信號經(jīng)第一半透半反鏡3的小孔陣列31衍射后形成第二4D光場202，第一光學元件4將第一4D光場201反射入佩戴者的一只眼中，并在佩戴者的視線前方形成第一立體虛像101，第二光學元件5對第二4D光場202處理后反射入佩戴者的另一只眼中，并在佩戴者的視線前方形成第二立體虛像102；其中，第一立體虛像101和第二立體虛像102完全重合。其中，圖像顯示器2顯示的圖像信號分別經(jīng)過開設有小孔陣列的第一半透半反鏡3、第一光學元件4和第二光學元件5后投射入佩戴者的左眼和右眼，并在佩戴者的視線前方形成虛擬的立體圖像。其中，該頭戴式圖像顯示裝置的通光區(qū)域1可以是空心的自由空間，也可以是實心的透明材料，可以做到非常輕薄。當然，如果將其應用于非透視效果的VR顯示領域，可以對通光區(qū)域1的外側表面做不透明處理，以達到最佳的沉浸感體驗。圖像顯示器2為微型顯示屏幕，主要用于投放和顯示圖像或視頻信息，例如微型投影儀、激光、LED屏、DMD等顯示裝置。該頭戴式圖像顯示裝置的圖像顯示器顯示的圖像信號通過開設有小孔陣列的第一半透半反鏡反射后形成第一4D光場，圖像顯示器顯示的圖像信號經(jīng)第一半透半反鏡的小孔陣列衍射后形成第二4D光場，并分別投射至佩戴者的雙眼中，以在佩戴者的視線前方形成放大的立體虛像，該裝置僅需要一個圖像顯示器件，制造成本低、輕薄便攜，且能夠實現(xiàn)立體投影顯示。其中，第一半透半反鏡3上設置有二維方向的小孔陣列31，小孔陣列31的每個小孔對應于圖像顯示器2的每個像素點。進一步地，如圖1至圖4所示，光學組件還包括第三光學元件6，圖像顯示器2顯示的圖像信號經(jīng)第三光學元件6反射后形成倒立實像103，第一半透半反鏡3對倒立實像103處理后形成第一4D光場201和第二4D光場202。進一步地，通光區(qū)域1包括相互連通且呈一定角度的第一通光區(qū)域和第二通光區(qū)域；其中，在第一通光區(qū)域和第二通光區(qū)域的連接處設置有第三光學元件6，第三光學元件6包括全反射的凹面鏡61，圖像顯示器2位于第一通光區(qū)域內(nèi)，第一半透半反鏡3、第一光學元件4和第二光學元件5均位于第二通光區(qū)域內(nèi)；圖像顯示器2顯示的圖像信號經(jīng)過凹面鏡61的反射在第二通光區(qū)域內(nèi)形成一倒立實像103。此外，第三光學元件6除了可以是凹面鏡結構，可一個是平面反射鏡、具有固定焦距的球面反射鏡、電控調(diào)焦的可變形鏡或是平面反射鏡和變焦透鏡的組合元件，只要是能夠實現(xiàn)光束轉向、擴束、成像功能的組合透鏡、變焦透鏡或變焦反射鏡均可作為第三光學元件6的具體結構形態(tài)。其中，第一光學元件4包括第二半透半反鏡41，第二半透半反鏡41將經(jīng)第一半透半反鏡3反射形成的第一4D光場201反射至佩戴者的一只眼中，并在佩戴者的視線前方形成第一立體虛像101。其中，第二光學元件5包括第三半透半反鏡51和平面鏡52；其中，平面鏡52將經(jīng)第一半透半反鏡3的小孔陣列衍射形成的第二4D光場202反射，第三半透半反鏡51將第二4D光場202反射入佩戴者的另一只眼中，并在佩戴者的視線前方形成第二立體虛像102。其中，根據(jù)具體應用場景不同，第二半透半反鏡41和第三半透半反鏡51可以是玻璃材料、聚合物材料、膜結構、集成在光學晶體中的光柵結構等，其的位置可根據(jù)佩戴者瞳距值調(diào)節(jié)。下面將結合附圖對光線傳播和成像過程做進一步地說明。如圖1至圖4所示，圖像顯示器2加載播放的圖像信號并顯示，在通光區(qū)域1內(nèi)傳輸，在第三光學元件6(凹面鏡61)的反射作用下，形成一倒立實像103，其中，成像公式滿足凹面鏡成像原理，具體為：式中，a表示凹面鏡61與圖像顯示器2之間的距離，b表示凹面鏡61與倒立實像103之間的距離，即成像的像距，fa表示凹面鏡61的焦距；其中，圖像顯示器2位于凹面鏡61兩倍焦距處或兩倍焦距外，這樣可形成倒立等大或倒立縮小的倒立實像103。其中，當改變凹面鏡61的焦距fa時，會改變像距b，進而改變倒立實像103與第一半透半反鏡3之間的距離c，最終導致倒立實像103靠近或遠離小孔陣列31。倒立實像103與第一半透半反鏡3的距離決定了整個裝置的視場角，距離越小，視場角越大，通過調(diào)節(jié)凹面鏡61的焦距以及圖像顯示器2的位置，可以實現(xiàn)大視場角的需求。如圖3所示，在通光區(qū)域1形成倒立實像103后，光束繼續(xù)射入第一半透半反鏡3上，這時一部分光線發(fā)生反射，一部分光線通過小孔陣列31發(fā)生衍射，圖3所示為反射光成像過程，倒立實像103的光線經(jīng)第一半透半反鏡3反射后，由于第一半透半反鏡3上具有小孔陣列31，所以在第一半透半反鏡3的反射作用下，在其右側形成第一4D光場201，光線經(jīng)第一半透半反鏡3反射后將光線射入第二半透半反鏡41，經(jīng)第二半透半反鏡41的反射作用后進入佩戴者右眼，從而在佩戴者的視線前方形成第一立體虛像101。如圖4所示，在通光區(qū)域1形成倒立實像103后，光束繼續(xù)射入第一半透半反鏡3上，這時一部分光線發(fā)生反射，一部分光線通過小孔陣列31發(fā)生衍射，圖4為衍射光成像過程，倒立實像103的光線經(jīng)小孔陣列31衍射后發(fā)散，在其左側形成第二4D光場202，再經(jīng)過平面鏡52反射，在平面鏡52的左側形成與第二4D光場202方向相反的4D光場，再經(jīng)第三半透半反鏡51的反射作用后進入佩戴者左眼，從而在佩戴者的視線前方形成第二立體虛像102。如圖3和圖4所示，為了保證左眼和右眼所觀看到的立體虛像完全重合避免暈眩感，即需要保證第一立體虛像101和第二立體虛像102大小相等，則需要第一立體虛像101和第二立體虛像102的像距相等，即進入雙眼的光路距離相等。綜上，該頭戴式圖像顯示裝置的圖像顯示器2顯示的圖像信號在通光區(qū)域1內(nèi)通過開設有小孔陣列31的第一半透半反鏡3反射后形成第一4D光場201，圖像顯示器2顯示的圖像信號經(jīng)第一半透半反鏡3的小孔陣列31衍射后形成第二4D光場202，并分別投射至佩戴者的雙眼中，以在佩戴者的視線前方形成放大的立體虛像，該裝置僅需要一個圖像顯示器件，制造成本低、輕薄便攜，且能夠實現(xiàn)立體投影顯示。此外需要指出的是，該頭戴式圖像顯示裝置可以做成頭盔式外觀，亦可做成框架眼鏡式外觀。以上所述的是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出對于本技術領域的普通人員來說，在不脫離本發(fā)明所述的原理前提下還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。