一種頭戴式圖像顯示裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及立體顯示技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種頭戴式圖像顯示裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，頭戴式顯示裝置的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯 示技術(shù)中時(shí)，需要頭戴式顯示裝置具有較高的透明度和較大的視場(chǎng)角，并且不對(duì)外界進(jìn)入 人眼的光線產(chǎn)生偏折。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中的頭戴式顯示裝置，例如采用全息光柵和光波導(dǎo)的技術(shù)設(shè)計(jì)的頭戴式 顯示裝置，制作工藝復(fù)雜、成本高、存在色散，且視場(chǎng)角較小；采用的Wave guides with micro reflector技術(shù)實(shí)現(xiàn)透視效果顯示器，制作難度大、成本高、視場(chǎng)有限;采用基于微透 鏡陣列的集成顯示技術(shù)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(shè) 備+雙凹面鏡結(jié)構(gòu)實(shí)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(shè)備較厚重。
[0004] 綜上，如何控制成本加工制造透明度和視場(chǎng)角均滿足需求的頭戴式顯示裝置是增 強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 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(shù)中頭戴式顯示裝置制造 成本高，且視場(chǎng)角較小的問(wèn)題。
[0006] 依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種頭戴式圖像顯示裝置，包括:通光區(qū)域、以及 位于通光區(qū)域內(nèi)的圖像顯示器、第一光學(xué)元件陣列、第二光學(xué)元件和第三光學(xué)元件;其中， 圖像顯示器顯示的圖像信號(hào)經(jīng)第一光學(xué)元件陣列處理后形成第一 4D光場(chǎng)和第二4D光場(chǎng)，第 一4D光場(chǎng)經(jīng)第二光學(xué)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(chǎng)經(jīng)第三光學(xué)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。
[0007] 其中，該頭戴式圖像顯示裝置還包括第四光學(xué)元件，圖像顯示器顯示的圖像信號(hào) 經(jīng)第四光學(xué)元件反射后形成一倒立實(shí)像，第一光學(xué)元件陣列對(duì)倒立實(shí)像處理后形成第一 4D 光場(chǎng)和第二4D光場(chǎng)。
[0008] 其中，第一光學(xué)元件陣列包括:正彎月形凸透鏡陣列和設(shè)置于正彎月形凸透鏡陣 列凹面上的半透半反膜。
[0009] 其中，第一光學(xué)元件陣列包括:第一凸透鏡陣列，以及具備半透半反功能的凹面鏡 陣列；其中，凹面鏡陣列位于第一凸透鏡陣列與圖像顯示器之間。
[0010] 其中，第一光學(xué)元件陣列包括:第一平凸透鏡陣列、第二平凸透鏡陣列，和第一平 凸透鏡陣列和第二平凸透鏡陣列之間填充的半透半反層。
[0011] 其中，第一光學(xué)元件陣列包括:半透半反鏡陣列，以及設(shè)置于半透半反鏡陣列兩側(cè) 的第二凸透鏡陣列和第三凸透鏡陣列。
[0012] 其中，第二光學(xué)元件包括第一半透半反鏡，第一半透半反鏡將經(jīng)第一光學(xué)元件陣 列反射形成的第一4D光場(chǎng)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。
[0013] 其中，第三光學(xué)元件包括第二半透半反鏡和平面鏡;其中，平面鏡將經(jīng)第一光學(xué)元 件陣列透射形成的第二4D光場(chǎng)反射后，再經(jīng)第二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。
[0014] 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(shè)置有第四光學(xué)元件，第四光學(xué)元件包括全 反射的第一凹面鏡，圖像顯示器位于第一通光區(qū)域內(nèi)，第一光學(xué)元件陣列、第二光學(xué)元件和 第三光學(xué)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(hào)經(jīng)過(guò)第一凹面鏡反射后 在第二通光區(qū)域內(nèi)形成一倒立實(shí)像。
[0015] 其中，第一凹面鏡的成像公式為：
[0017] 式中，a表示第一凹面鏡與圖像顯示器之間的距離，b表示第一凹面鏡與倒立實(shí)像 之間的距離，fa表示第一凹面鏡的焦距;其中，圖像顯示器位于第一凹面鏡兩倍焦距處或兩 倍焦距外。
[0018] 本發(fā)明的實(shí)施例的有益效果是：
[0019] 本發(fā)明的頭戴式圖像顯示裝置通過(guò)具有半透半反功能的第一光學(xué)元件陣列的處 理形成第一4D光場(chǎng)和第二4D光場(chǎng)，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(gè)圖像顯示器件，制造成本低、輕薄便攜，且能夠?qū)?現(xiàn)立體投影顯示。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1表示本發(fā)明的頭戴式圖像顯示裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 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；
[0022]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；
[0023]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；
[0024] 圖5表示本發(fā)明的第一光學(xué)元件陣列的結(jié)構(gòu)示意圖一；
[0025] 圖6表示本發(fā)明的第一光學(xué)元件陣列的結(jié)構(gòu)示意圖二；
[0026]圖7表示本發(fā)明的第一光學(xué)元件陣列的結(jié)構(gòu)示意圖三；
[0027]圖8表示本發(fā)明的第一光學(xué)元件陣列的結(jié)構(gòu)示意圖四。
[0028] 其中圖中：1、通光區(qū)域，2、圖像顯示器，3、第一光學(xué)元件陣列，4、第二光學(xué)元件，5、 第三光學(xué)元件，6、第四光學(xué)元件；
[0029] 30、正彎月形凸透鏡陣列，31、半透半反膜，32、第一凸透鏡陣列，33、凹面鏡陣列， 34、第一平凸透鏡陣列，35、第二平凸透鏡陣列，36、半透半反層，37、半透半反鏡陣列，38、第 二凸透鏡陣列，39、第三凸透鏡陣列；
[0030] 40、第一半透半反鏡；
[0031] 50、第二半透半反鏡，51、平面鏡；
[0032] 60、第一凹面鏡；
[0033] 101、第一立體虛像，102、第二立體虛像，103、倒立實(shí)像；
[0034] 201、第一 4D 光場(chǎng)，202、第二 4D 光場(chǎng)。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。雖然附圖中顯示了本發(fā)明 的示例性實(shí)施例，然而應(yīng)當(dāng)理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施例 所限制。相反，提供這些實(shí)施例是為了能夠更透徹地理解本發(fā)明，并且能夠?qū)⒈景l(fā)明的范圍 完整的傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。
[0036]如圖1至圖4所示，本發(fā)明的實(shí)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和具有半透半反功能的第一光學(xué)元件陣列3、第 二光學(xué)元件4和第三光學(xué)元件5;其中，圖像顯示器2顯示的圖像信號(hào)經(jīng)第一光學(xué)元件陣列3 處理后形成第一 4D光場(chǎng)201和第二4D光場(chǎng)202,第二光學(xué)元件4將第一 4D光場(chǎng)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，第三光學(xué)元件5對(duì)第二4D光 場(chǎng)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。
[0037]其中，圖像顯示器2顯示的圖像信號(hào)分別經(jīng)過(guò)第一光學(xué)元件陣列3、第二光學(xué)元件4 和第三光學(xué)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(shí)心的 透明材料。當(dāng)然，如果將其應(yīng)用于非透視效果的VR顯示領(lǐng)域，可以對(duì)通光區(qū)域1的外側(cè)表面 做不透明處理，以達(dá)到最佳的沉浸感體驗(yàn)。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 置通過(guò)具有半透半反功能的第一光學(xué)元件陣列3的處理形成第一 4D光場(chǎng)和第二4D光場(chǎng)，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(gè)圖像顯示器件，制造成本低、輕薄便攜，且能夠?qū)崿F(xiàn)立體投影顯示。
[0038] 其中，第一光學(xué)元件陣列3是具備半透半反功能的光學(xué)組件陣列或單一元件陣列， 如圖5所示，第一光學(xué)元件陣列3包括:正彎月形凸透鏡陣列30和設(shè)置于正彎月形凸透鏡陣 列30凹面上的半透半反膜31，其中，半透半反膜31鍍?cè)谡龔澰滦瓮雇哥R陣列30的凹面上，第 一光學(xué)元件陣列3做成單一元件陣列，可使整個(gè)裝置緊湊輕薄。當(dāng)光線從半透半反膜31側(cè)入 射時(shí)，半透半反膜31會(huì)透射一部分光線并反射一部分光線形成第一 4D光場(chǎng)，透射光線經(jīng)過(guò) 正彎月形凸透鏡陣列30折射形成第二4D光場(chǎng)，其中，反射光線經(jīng)過(guò)半透半反膜31滿足凹面 鏡成像原理，透射光線經(jīng)過(guò)正彎月形凸透鏡陣列30折射滿足凸透鏡陣列成像原理。其中，正 彎月形凸透鏡陣列30為二維方向的微透鏡陣列，第一光學(xué)元件陣列3的每個(gè)單元對(duì)應(yīng)于圖 像顯示器2的每個(gè)像素點(diǎn)。
[0039] 進(jìn)一步地，該第一光學(xué)元件陣列3還可以做成如圖6所示的兩個(gè)獨(dú)立固件的陣列結(jié) 構(gòu)，即第一光學(xué)元件陣列3包括:第一凸透鏡陣列32,以及具備半透半反功能的凹面鏡陣列 33;其中，凹面鏡陣列33位于第一凸透鏡陣列32與圖像顯示器2之間，其中第一凸透鏡陣列 32的形狀可以為任意形狀，不對(duì)其做具體形狀限定。
[0040] 進(jìn)一步地，該第一光學(xué)元件陣列3還可做成如圖7所示的三膠合透鏡結(jié)構(gòu)，具體地， 第一光學(xué)元件陣列3包括:第一平凸透鏡陣列34、第二平凸透鏡陣列35,和第一平凸透鏡陣 列34和第二平凸透鏡陣列35之間填充的半透半反層36。其中，第一平凸透鏡陣列34和第二 平凸透鏡陣列35的結(jié)構(gòu)形狀完全相同，當(dāng)光線從第二平凸透鏡陣列35側(cè)入射時(shí)，一部分光 線經(jīng)第二平凸透鏡陣列35折射后被半透半反層36反射，再經(jīng)第二平凸透鏡陣列35折射后出 射，這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于經(jīng)過(guò)一片標(biāo)準(zhǔn)形狀的凸透鏡陣列；而另一部分光線經(jīng)過(guò)第二平凸透鏡 陣列35折射后被半透半反層36透射，在經(jīng)過(guò)第一平凸透鏡陣列34折射后出射，其過(guò)程也相 當(dāng)于經(jīng)過(guò)一片標(biāo)準(zhǔn)形狀的凸透鏡陣列，這樣即可在第一光學(xué)元件陣列3的左右兩側(cè)形成對(duì) 應(yīng)的4D光場(chǎng)。
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