0041]進(jìn)一步地，第一光學(xué)元件陣列3還做成如圖8所示的三個(gè)固件的陣列結(jié)構(gòu)，具體包 括:半透半反鏡陣列37,以及設(shè)置于半透半反鏡陣列37兩側(cè)的第二凸透鏡陣列38和第三凸 透鏡陣列39。其中，第二凸透鏡陣列38和第三凸透鏡陣列39可以為任意形狀，不對其做具體 形狀限定。
[0042] 其中，如圖1至圖4所示，光學(xué)組件還包括第四光學(xué)元件6,圖像顯示器2顯示的圖像 信號經(jīng)第四光學(xué)元件6反射后形成倒立實(shí)像103,第一光學(xué)元件陣列3對倒立實(shí)像103處理后 形成第一 4D光場201和第二4D光場202。
[0043] 進(jìn)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(shè)置有第四光學(xué)元件6,第四光學(xué)元件6 包括全反射的第一凹面鏡60,圖像顯示器2位于第一通光區(qū)域內(nèi)，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)過第 一凹面鏡60的反射在第二通光區(qū)域內(nèi)形成一倒立實(shí)像103。此外，第四光學(xué)元件6除了可以 是凹面鏡結(jié)構(gòu)，可一個(gè)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?qū)崿F(xiàn)光束轉(zhuǎn)向、擴(kuò)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四光學(xué)元件6的具體結(jié)構(gòu)形態(tài)。
[0044]其中，第二光學(xué)元件4包括第一半透半反鏡40,第一半透半反鏡40將經(jīng)第一光學(xué)元 件陣列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。
[0045]其中，第三光學(xué)元件5包括第二半透半反鏡50和平面鏡51;其中，平面鏡51將經(jīng)第 一光學(xué)元件陣列3透射形成的第二4D光場202反射，第二半透半反鏡50將第二4D光場反射入 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(yīng)用 場景不同，第一半透半反鏡40和第二半透半反鏡50可以是玻璃材料、聚合物材料、膜結(jié)構(gòu)、 集成在光學(xué)晶體中的光柵結(jié)構(gòu)等，其的位置可根據(jù)佩戴者瞳距值調(diào)節(jié)。
[0046]下面將結(jié)合附圖對光線傳播和成像過程做進(jìn)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，在第四光學(xué)元件6(第一凹面鏡 60)的反射作用下，形成一倒立實(shí)像103，其中，成像公式滿足凹面鏡成像原理，具體為：
[0048] 式中，a表示第一凹面鏡60與圖像顯示器2之間的距離，b表示第一凹面鏡60與倒立 實(shí)像103之間的距離，即成像的像距，匕表示第一凹面鏡60的焦距；其中，圖像顯示器2位于 第一凹面鏡60兩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(shí)像103。 其中，當(dāng)改變第一凹面鏡60的焦距fj寸，會(huì)改變像距b，進(jìn)而改變倒立實(shí)像103與第一光學(xué)元 件陣列3之間的距離c，最終導(dǎo)致倒立實(shí)像103靠近或遠(yuǎn)離正彎月形凸透鏡陣列30。倒立實(shí)像 1〇3與第一光學(xué)元件陣列 3的距離決定了整個(gè)裝置的視場角，距離越小，視場角越大，通過調(diào) 節(jié)第一凹面鏡60的焦距以及圖像顯示器2的位置，可以實(shí)現(xiàn)大視場角的需求。
[0049] 如圖3所示，在通光區(qū)域1形成倒立實(shí)像103后，光束繼續(xù)射入半透半反膜31上，這 時(shí)一部分光線發(fā)生反射，一部分光線發(fā)生透射，圖3所示為反射光成像過程，半透半反膜31 的反射成像原理為凹面鏡成像原理，倒立實(shí)像103的光線經(jīng)半透半反膜31反射后發(fā)散，由于 半透半反膜31為陣列結(jié)構(gòu)，所以在半透半反膜31的反射作用下，在其右側(cè)形成第一4D光場 201，光線經(jīng)半透半反膜31反射后將發(fā)散光射入第一半透半反鏡40,經(jīng)第一半透半反鏡40的 反射作用后進(jìn)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。
[0050] 如圖4所示，在通光區(qū)域1形成倒立實(shí)像103后，光束繼續(xù)射入半透半反膜31上，這 時(shí)一部分光線發(fā)生反射，一部分光線發(fā)生透射，圖4為透射光成像過程，半透半反膜31的透 射成像原理為凸透鏡陣列成像原理，倒立實(shí)像103與第一光學(xué)元件陣列3之間的距離剛好為 第一光學(xué)元件陣列3的一個(gè)透鏡單元的一倍焦距處，倒立實(shí)像103的光線經(jīng)正彎月形凸透鏡 陣列30折射后發(fā)散，在正彎月形凸透鏡陣列30的左側(cè)形成第二4D光場202,光線經(jīng)正彎月形 凸透鏡陣列30折射后將發(fā)散光射入平面鏡51，經(jīng)平面鏡51的反射后在平面鏡51的左側(cè)形成 與第二4D光場202方向相反的4D光場，經(jīng)正彎月形凸透鏡陣列30折射射入平面鏡51的光，再 經(jīng)平面鏡51的反射作用后，射入第二半透半反鏡50中，再經(jīng)第二半透半反鏡50的反射作用 后進(jìn)入佩戴者左眼。
[0051] 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，則需要正彎月形凸透鏡陣 列30的焦距等于半透半反膜31的凹面鏡的焦距;第一立體虛像101和第二立體虛像102的像 距相等，即進(jìn)入雙眼的光路距離相等。
[0052]綜上，該頭戴式圖像顯示裝置的圖像顯示器2的圖像信號，通過具有半透半反功能 的第一光學(xué)元件陣列的處理形成第一 4D光場和第二4D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(gè)圖像顯示器件，制造成 本低、輕薄便攜、能夠滿足視場角需求，且能夠?qū)崿F(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。
[0053]以上所述的是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出對于本技術(shù)領(lǐng)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(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也在 本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種頭戴式圖像顯示裝置，其特征在于，包括:通光區(qū)域、W及位于所述通光區(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Ξ光學(xué)元件；其中，所述圖像顯示器 顯示的圖像信號經(jīng)所述第一光學(xué)元件陣列處理后形成第一 4D光場和第二4D光場，所述第一 4D光場經(jīng)所述第二光學(xué)元件反射入佩戴者的一只眼中，并在所述佩戴者的視線前方形成第 一立體虛像，所述第二4D光場經(jīng)所述第Ξ光學(xué)元件處理后，反射入所述佩戴者的另一只眼 中，并在所述佩戴者的視線前方形成第二立體虛像;其中，所述第一立體虛像和所述第二立 體虛像重合。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頭戴式圖像顯示裝置，其特征在于，所述頭戴式圖像顯示裝置 還包括第四光學(xué)元件，所述圖像顯示器顯示的圖像信號經(jīng)所述第四光學(xué)元件反射后形成一 倒立實(shí)像，第一光學(xué)元件陣列對所述倒立實(shí)像處理后形成第一 4D光場和第二4D光場。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的頭戴式圖像顯示裝置，其特征在于，所述第一光學(xué)元件陣列包 括： 正彎月形凸透鏡陣列和設(shè)置于所述正彎月形凸透鏡陣列凹面上的半透半反膜。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的頭戴式圖像顯示裝置，其特征在于，所述第一光學(xué)元件陣列包 括:第一凸透鏡陣列，W及具備半透半反功能的凹面鏡陣列；其中，所述凹面鏡陣列位于所 述第一凸透鏡陣列與所述圖像顯示器之間。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的頭戴式圖像顯示裝置，其特征在于，所述第一光學(xué)元件陣列包 括:第一平凸透鏡陣列、第二平凸透鏡陣列，和所述第一平凸透鏡陣列和所述第二平凸透鏡 陣列之間填充的半透半反層。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的頭戴式圖像顯示裝置，其特征在于，所述第一光學(xué)元件陣列包 括:半透半反鏡陣列，W及設(shè)置于所述半透半反鏡陣列兩側(cè)的第二凸透鏡陣列和第Ξ凸透 鏡陣列。7. 根據(jù)權(quán)利要求3至6任一項(xiàng)所述的頭戴式圖像顯示裝置，其特征在于，所述第二光學(xué) 元件包括第一半透半反鏡，所述第一半透半反鏡將經(jīng)所述第一光學(xué)元件陣列反射形成的第 一 4D光場反射至佩戴者的一只眼中，并在所述佩戴者的視線前方形成第一立體虛像。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的頭戴式圖像顯示裝置，其特征在于，所述第Ξ光學(xué)元件包括第 二半透半反鏡和平面鏡;其中，所述平面鏡將經(jīng)所述第一光學(xué)元件陣列透射形成的第二4D 光場反射后，再經(jīng)所述第二半透半反鏡反射入所述佩戴者的另一只眼中，并在所述佩戴者 的視線前方形成第二立體虛像。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的頭戴式圖像顯示裝置，其特征在于，所述通光區(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，在所述第一通光區(qū)域和所述第二 通光區(qū)域的連接處設(shè)置有第四光學(xué)元件，所述第四光學(xué)元件包括全反射的第一凹面鏡，所 述圖像顯示器位于所述第一通光區(qū)域內(nèi)，所述第一光學(xué)元件陣列、所述第二光學(xué)元件和所 述第Ξ光學(xué)元件均位于所述第二通光區(qū)域內(nèi)；所述圖像顯示器顯示的圖像信號經(jīng)過所述第 一凹面鏡反射后在所述第二通光區(qū)域內(nèi)形成一倒立實(shí)像。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的頭戴式圖像顯示裝置，其特征在于，所述第一凹面鏡的成像 公式為：式中，a表示所述第一凹面鏡與所述圖像顯示器之間的距離，b表示所述第一凹面鏡與 所述倒立實(shí)像之間的距離，fa表示所述第一凹面鏡的焦距； 其中，所述圖像顯示器位于所述第一凹面鏡兩倍焦距處或兩倍焦距外。
【專利摘要】本發(fā)明公開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經(jīng)第一光學(xué)元件陣列處理后形成第一4D光場和第二4D光場，第一4D光場經(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。本發(fā)明的頭戴式圖像顯示裝置僅需要一個(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。
【IPC分類】G02B27/01, G02B27/22
【公開號】CN105700146
【申請?zhí)枴緾N201610127004
【發(fā)明人】趙娟
【申請人】深圳超多維光電子有限公司
【公開日】2016年6月22日
【申請日】2016年3月4日