CN206387962U - 一种头戴式显示装置及便携式设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种头戴式显示装置及便携式设备，其中，该装置包括：承载装置、第一光学模组和第二光学模组，第一光学模组位于承载装置承载的显示设备的前方且与显示设备呈一定夹角，第二光学模组位于显示设备的下方且与显示设备呈一定夹角；承载装置，用于承载显示设备；第一光学模组，用于将显示设备显示的图像反射至第二光学模组；第二光学模组，用于将第一光学模组的图像反射至预设位置形成第一图像，以及将头戴式显示装置之外的实物的图像透射至预设位置形成第二图像，第二图像与第一图像叠加。本实用新型实施例通过显示设备、第一光学模组和第二光学模组成的增强现实设备，视场较大，且其光学系统简单。

Description

一种头戴式显示装置及便携式设备

技术领域

本实用新型涉及穿戴式技术领域，具体而言，涉及一种头戴式显示装置及便携式设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality,AR)是一种将真实世界和虚拟世界信息集成的技术，能够实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界与现实世界进行互动，由于这种技术的应用领域广泛，近年来已成为国内外众多知名大学和研究机构的研究热点之一。

目前的增强现实设备，通常使用较小的显示设备幕，为了实现相同的出瞳大小，大大增加了光学系统上的设计难度，因而目前的增强现实设备的性能较差，或者光学系统十分复杂。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种头戴式显示装置及便携式设备，以降低头戴式显示装置的光学系统的复杂度。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种头戴式显示装置，包括：承载设备、第一光学模组和第二光学模组，所述第一光学模组位于所述承载设备承载的显示设备的前方且与所述显示设备呈一定夹角，所述第二光学模组位于所述显示设备的下方且与所述显示设备呈一定夹角；所述承载装置，用于承载所述显示设备；所述第一光学模组，用于将所述显示设备显示的图像反射至所述第二光学模组；所述第二光学模组，用于将所述第一光学模组的图像反射至预设位置形成第一图像，以及将所述头戴式显示装置之外的实物的图像透射至所述预设位置形成第二图像，所述第二图像与所述第一图像叠加。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，所述承载装置包括转轴；所述承载装置，还用于通过所述转轴带动所述显示设备与所述第一光学模组和所述第二光学模组的夹角。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，所述第一光学模组包括至少一个反射镜，所述第二光学模组包括半透半反镜，所述反射镜和所述半透半反镜为曲面。

结合第一方面或者第一方面的第二种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，以所述预设位置和所述第二光学模组的横向中心线构成的平面作为参考面；所述显示设备与所述参考面的角度范围为0°～180°；过所述显示设备的中点且平行与所述参考面的直线与所述第一光学模组相交于一点，过该点处的所述第一光学模组的曲面的切面与所述显示设备的角度范围为0°～90°；过所述第二光学模组的横向中心线的切面与所述参考面的角度范围为0°～90°。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本实用新型实施例提出了第一方面的第四种可能的实施方式，所述第一光学模组的下边缘与所述预设位置之间的距离为第一距离；所述第二光学模组的横向中心线与所述预设位置之间的距离为第二距离，所述第一距离和所述第二距离满足预设范围。

结合第一方面，本实用新型实施例提出了第一方面的第五种可能的实施方式，所述头戴式显示装置还包括近红外光发出装置和近红外相机，所述近红外光发出装置与所述近红外相机匹配设置于所述第一光学模组和所述第二光学模组边缘处；所述近红外光发出装置，用于向用户眼睛发射近红外光；所述近红外相机，用于获取所述用户眼睛的眼部图像及获取所述红外光通过所述用户眼睛角膜反射的光斑，以及将所述眼部图像和所述光斑的光信号转化成电信号，并将所述电信号发送至处理器。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，所述近红外光发出装置直接朝向所述用户眼睛，所述近红外相机接收所述红外光通过所述用户眼睛角膜直接反射的所述光斑；所述近红外光发出装置朝向所述第一光学模组，通过所述第一光学模组和所述第二光学模组的反射向所述用户眼睛发射近红外光，所述近红外相机接收由所述第二光学模组和所述第一光学模组反射的所述用户眼睛角膜反射所述光斑；或者所述近红外光发出装置朝向所述第二光学模组，通过所述第二光学模组的反射向所述用户眼睛发射近红外光，所述近红外相机接收所述红外光通过所述用户眼睛角膜直接反射的所述光斑。

结合第一方面，本实用新型实施例提出了第一方面的第七种可能的实施方式，所述头戴式显示装置还包括场景摄像头；所述场景摄像头，用于获取实物的光信息，并根据所述光信息确定所述实物的位置信息。

结合第一方面，本实用新型实施例提出了第一方面的第八种可能的实施方式，所述头戴式显示装置还包括距离传感器；所述距离传感器，用于采集用户眼睛与所述头戴式显示装置的距离。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种头戴式显示装置的显示方法，所述头戴式显示装置如权利要求1至9任一项所述的头戴式显示装置，所述方法包括：在所述承载装置上放置显示设备；调节所述承载装置和所述第一光学模组，使得所述第一光学模组将所述承载装置上的显示设备显示的图像反射至所述第二光学模组，调节所述第二光学模组，使得所述第二光学模组将所述第一光学反射的图像反射至预设位置形成第一图像，以及将所述头戴式显示装置之外的实物的图像透射至所述预设位置形成第二图像，使得所述第二图像与所述第一图像在预设位置叠加。

本实用新型实施例提供的头戴式显示装置及其显示方法，其装置包括承载装置、第一光学模组和第二光学模组，所述第一光学模组位于所述承载装置承载的显示设备的前方且与所述显示设备呈一定夹角，所述第二光学模组位于所述显示设备的下方且与所述显示设备呈一定夹角；所述承载装置，用于承载所述显示设备；所述第一光学模组，用于将所述显示设备显示的图像反射至所述第二光学模组；所述第二光学模组，用于将所述第一光学模组的图像反射至预设位置形成第一图像，以及将所述头戴式显示装置之外的实物的图像透射至所述预设位置形成第二图像，所述第二图像与所述第一图像叠加。与现有技术相比，其视场通过曲面镜增大，且其光学系统简单。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本实用新型实施例所提供的头戴式显示装置的侧视结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的头戴式显示装置的第一种正视结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的头戴式显示装置的光路图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的头戴式显示装置的第二种正视结构示意图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的头戴式显示装置的第三种正视结构示意图；

图6示出了本实用新型实施例所提供的头戴式显示装置的第四种正视结构示意图；

图7示出了本实用新型实施例所提供的头戴式显示装置的第五种正视结构示意图；

图8示出了本实用新型实施例所提供的头戴式显示装置的第六种正视结构示意图；

图9示出了本实用新型实施例所提供的头戴式显示装置的第七种正视结构示意图；

图10示出了本实用新型实施例所提供的头戴式显示装置的显示方法的流程图。

图1主要附图标记说明：

100，承载装置，101，显示设备；102，第一光学模组；103，第二光学模组；

图6主要附图标记说明：

301，用户眼睛；

图7主要附图标价说明：

104，近红外光发出装置，105，近红外相机。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

考虑到现有技术中，为了增大光学视场，光学系统都设计的十分复杂，基于此，本实用新型实施例提供了一种头戴式显示装置及便携式设备，下面通过实施例进行描述。

实施例1

本实用新型实施例1提出了一种头戴式显示装置，如图1所示，为头戴式显示装置的侧视图，图2为头戴式显示装置的正视图，包括承载装置 100，第一光学模组102和第二光学模组103，其中承载设备100用于承载显示设备101，其中第一光学模组102位于承载装置100承载的显示设备 101的前方且与显示设备101呈一定角度，第二光学模组103位于显示设备 101的下方且与显示设备101呈一定角度；

第一光学模组102，用于将显示设备101显示的图像反射至第二光学模组103；

第二光学模组103，用于将第一光学模组102的图像反射至预设位置形成第一图像，以及将头戴式显示装置之外的实物图像透射至预设位置形成第二图像，第二图像与第一图像叠加。

承载装置100包括转轴，该承载装置100通过转轴带动显示设备101 与第一光学模组102和第二光学模组103的夹角。

为了便于描述，在头戴式显示装置正常使用时，需要在承载装置100 上配置显示设备101，为了便于描述，我们在描述头戴式显示设备时，将显示设备101进行同时描述。

其中显示设备101可以是手机或者平板等大尺寸的显示设备，在此不做具体限定

一种较佳的实施方式，在本实用新型实施例1提出的技术方案中，显示设备101、第一光学模组102和第二光学模组103的位置关系如图3所示，预设位置为用户眼睛301，其光路为显示设备101产生图像，通过第一光学模组102的反射及第二光学模组103的部分反射，透射至用户眼睛，并最终成像于视网膜上，景物通过第二光学模组103的部分透射，同样成像于用户眼睛的视网膜上，从而实现场景与显示的虚拟图像的叠加。

其中第一光学模组102包括至少一个反射镜，第二光学模组103包括半透半反镜，其中反射镜和半透半反镜为曲面。

其中半透半反镜的透光率可以调节，当使得其透光率为0时，该头戴式显示装置变为虚拟现实设备。

其中图2所示为第一光学模组102和第二光学模组103均为一个曲面镜时，当第二光学模组103包括两个曲面镜时，见图4所示，当第二光学模组103和第一光学模组102均包括两个曲面镜时，见图5所示。

以预设位置和第二光学模组103的横向中心线构成的平面作为参考面；显示设备101与参考面的角度范围为0°～180°；过显示设备101的中点且平行与参考面的直线与第一光学模组相交于一点，过该点处的第一光学模组102的曲面的切面与显示设备的角度范围为0°～90°；过第二光学模组103的横向中心线的切面与参考面的角度范围为0°～90°。

为了使得头戴式显示装置更符合人体工学，使得其成像质量更好，一般设置显示设备101与参考面的角度范围为20°～70°；过显示设备101的中点且平行与参考面的直线与第一光学模组相交于一点，过该点处的第一光学模组102的曲面的切面与显示设备的角度范围为30°～60°；过第二光学模组103的横向中心线的切面与参考面的角度范围为30°～60°。

第一光学模组102的下边缘与预设位置之间的距离为第一距离；第二光学模组103的横向中心线与预设位置之间的距离为第二距离，所述第一距离和所述第二距离满足预设范围。

一种较佳的实施方式，在本实用新型实施例1提出的技术方案中，见图6所示，显示设备101与水平面的角度α为60°左右，过显示设备101 上下方中点的水平线，与第一光学模组102相交，该交点处第一光学模组 102的切面与显示设备101表面的夹角β为40°左右，用户眼睛301注视水平正前方时的视线与第二光学模组103的交点的切面与视线的夹角γ为45°左右。

用户眼睛301与第一光学模组102的下边缘的水平距离d1应大于5mm, 用户眼睛301到第二光学模组103与水平视线交点的距离d2应大于7mm，如果考虑带眼镜的用户使用该头戴式显示装置，则d2应大于13mm,一定程度的增大d2可以是头戴式显示装置对人面部尺寸的适应性更好，但是 d1和d2都不宜过大，否则该装置的重心过于靠前，使得用户体验度降低。

在该装置中，显示设备101的发光面始终朝向用户的头部方向，不会造成光线泄露。

一种较佳的实施方式，在本实用新型实施例1提出的技术方案中，该头戴式显示装置近红外光发出装置和近红外相机，近红外光发出装置与近红外相机匹配设置与第一光学模组102或者第二光学模组103边缘处，近红外光发出装置，用于向用户眼睛发射近红外光；近红外相机，用于获取所述用户眼睛的眼部图像及获取红外光通过用户眼睛角膜反射的光斑，以及将眼部图像和光斑的光信号转化成电信号，并将所述电信号发送至处理器。

处理器通过此电信号确认用户视线方向。其中处理器包含在显示设备中，也可以包含在该头戴式显示装置中，在此不做具体限定。

一种较佳的实施方式，在本实用新型实施例1提出的技术方案中，该头戴式显著装置还包括场景摄像头，该场景摄像头，用于获取实物的光信息，并根据该光信息确定实物的位置信息。

一种较佳的实施方式，在本实用新型实施例1提出的技术方案中，该头戴式显示装置还可以包括一个处理器，用于接收上述近红外相机发送的电信号，并根据该电信号确定用户的视线方向。

该头戴式显示装置可以通过显示设备中的处理单元或者可以包括带有处理器，通过获取的用户视线方向和实物的位置信息，确认用户的注视位置，以及对注视位置进行处理。

上述显示设备中的处理单元或者头戴式显示装置自身包括的处理器对用户注视位置的处理包括对该位置进行加注释或者增加图案标识。

其中近红外光发出装置与近红外相机的匹配设置包括：

见图7所示，近红外光发出装置104直接朝向用户眼睛301，近红外相机105接收红外光通过用户眼睛301的角膜直接反射的光斑；

见图8所示，近红外光发出装置104朝向第一光学模组102，通过第一光学模组102和第二光学模组103的反射向用户眼睛发射近红外光，近红外相机接收由第二光学模组103和第一光学模组102反射的用户眼睛的角膜反射光斑；

或者，见图9所示，近红外光发出装置104朝向第二光学模组103，通过第二光学模组103的反射向用户眼睛发射近红外光，近红外相机105 接收红外光通过用户眼睛301的角膜直接反射的光斑。

其中近红外光发出装置与近红外相机的匹配设置不局限于上述三种情况。

一种较佳的实施方式，在本实用新型实施例1中提出，头戴式显示装置还包括距离传感器，距离传感器与处理器连接；距离传感器，用于采集用户眼睛与头戴式显示装置的距离，并将该距离发送至处理器；处理器，还用于确定该距离小于阈值时，控制所述显示设备101进行工作。

比如当处理器确定用户与头戴式显示装置的距离小于阈值时，控制显示设备101开始显示图像。

一种较佳的实施方式，在本实用新型实施例1中提出，头戴式显示装置还包括扬声器，扬声器与显示设备101连接；扬声器，用于向用户发送声音信号，其中扬声器包括耳机或者骨传导等。

该头戴式显示装置还可以增加一个挡板，可以将该挡板设置与第二光学模组103的外侧，用于遮挡外界场景，当该挡板遮挡外界场景时，则该头戴式显示装置由增强现实设备变为虚拟显示设备。

一种较佳的实施方式，在本实用新型实施例1提出的技术方案中，该挡板可以使用液晶面板实现，通过控制液晶板的投光率实现增强现实设备与虚拟现实设备的转换。

一种较佳的实施方式，在本实用新型实施例1提出的技术方案中，该头戴式显示装置还包括麦克风，比如双麦克风。

实施例2

本实用新型实施例2提出了一种头戴式显示装置的显示方法，该头戴式显示装置为实施例1中提出的任一头戴式显示装置。该显示方法流程如下，见图10：

步骤21，在承载装置上放置显示设备；

步骤22，调节承载装置和第一光学模组，使得第一光学模组将承载装置上的显示设备显示的图像反射至第二光学模组；

步骤23，调节第二光学模组，使得第二光学模组将第一光学反射的图像反射至预设位置形成第一图像，以及将头戴式显示装置之外的实物的图像透射至预设位置形成第二图像，使得第二图像与所述第一图像在预设位置处叠加。

实施例3

本实用新型实施例3提供了一种便携式设备，该便携式设备包括实施1中任一头戴式显示装置。

基于上述分析可知，与相关技术中的头戴式显示装置相比，本实用新型实施例提供的头戴式显示装置，其装置包括承载装置、第一光学模组和第二光学模组，第一光学模组位于承载装置承载的显示设备的前方且与显示设备呈一定夹角，第二光学模组位于显示设备的下方且与显示设备呈一定夹角；承载装置，用于承载显示设备；第一光学模组，用于将显示设备显示的图像反射至第二光学模组；第二光学模组，用于将第一光学模组的图像反射至预设位置形成第一图像，以及将头戴式显示装置之外的实物的图像透射至预设位置形成第二图像，第二图像与第一图像叠加。与现有技术相比，其视场通过曲面镜增大，且其光学系统简单。

在本实用新型所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置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，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。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所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种头戴式显示装置，其特征在于，包括：承载装置、第一光学模组和第二光学模组，所述第一光学模组位于所述承载装置承载的显示设备的前方且与所述显示设备呈一定夹角，所述第二光学模组位于所述显示设备的下方且与所述显示设备呈一定夹角；

所述承载装置，用于承载所述显示设备；

所述第一光学模组，用于将所述显示设备显示的图像反射至所述第二光学模组；

所述第二光学模组，用于将所述第一光学模组的图像反射至预设位置形成第一图像，以及将所述头戴式显示装置之外的实物的图像透射至所述预设位置形成第二图像，所述第二图像与所述第一图像叠加。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述承载装置包括转轴；

所述承载装置，还用于通过所述转轴调节所述显示设备与所述第一光学模组和所述第二光学模组的夹角。

3.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一光学模组包括至少一个反射镜，所述第二光学模组包括半透半反镜，所述反射镜和所述半透半反镜为曲面。

4.根据权利要求3所述的头戴式显示装置，其特征在于，以所述预设位置和所述第二光学模组的横向中心线构成的平面作为参考面；

所述显示设备与所述参考面的角度范围为0°～180°；

过所述显示设备的中点且平行与所述参考面的直线与所述第一光学模组相交于一点，过该点处的所述第一光学模组的曲面的切面与所述显示设备的角度范围为0°～90°；

过所述第二光学模组的横向中心线的切面与所述参考面的角度范围为0°～90°。

5.根据权利要求4所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一光学模组的下边缘与所述预设位置之间的距离为第一距离；

所述第二光学模组的横向中心线与所述预设位置之间的距离为第二距离，所述第一距离和所述第二距离满足预设范围。

6.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述头戴式显示装置还包括近红外光发出装置和近红外相机，所述近红外光发出装置与所述近红外相机匹配设置于所述第一光学模组或所述第二光学模组边缘处；

所述近红外光发出装置，用于向用户眼睛发射近红外光；

所述近红外相机，用于获取所述用户眼睛的眼部图像及获取所述红外光通过所述用户眼睛角膜反射的光斑，以及将所述眼部图像和所述光斑的光信号转化成电信号，并将所述电信号发送至处理器。

7.根据权利要求6所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述近红外光发出装置与所述近红外相机的所述匹配设置包括：

所述近红外光发出装置直接朝向所述用户眼睛，所述近红外相机接收所述红外光通过所述用户眼睛角膜直接反射的所述光斑；

所述近红外光发出装置朝向所述第一光学模组，通过所述第一光学模组和所述第二光学模组的反射向所述用户眼睛发射近红外光，所述近红外相机接收由所述第二光学模组和所述第一光学模组反射的所述用户眼睛角膜反射所述光斑；

或者所述近红外光发出装置朝向所述第二光学模组，通过所述第二光学模组的反射向所述用户眼睛发射近红外光，所述近红外相机接收所述红外光通过所述用户眼睛角膜直接反射的所述光斑。

8.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述头戴式显示装置还包括场景摄像头；

所述场景摄像头，用于获取实物的光信息，并根据所述光信息确定所述实物的位置信息。

9.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述头戴式显示装置还包括距离传感器；

所述距离传感器，用于采集用户眼睛与所述头戴式显示装置的距离。

10.一种便携式设备，其特征在于，包括权利要求1至9任一所述的头戴式显示装置。