[发明专利]一种视场拼接的显示装置

说明书

一种视场拼接的显示装置，涉及AR显示技术领域，尤其涉及头戴AR显示技术和具有超大可视角的拼接式头戴显示设备。本发明公开了一种AR显示设备，包括至少两个微型显示/投影器、至少一个主透镜以及至少两个自由曲面透镜，所述第一所述微型显示/投影器、第一所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第一视场与第二所述微型显示/投影器、第二所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第二视场，拼接组成拼接视场。

技术领域

本发明涉及AR增强现实显示技术领域，尤其涉及头戴AR显示技术和具有超大可视角的拼接式显示设备。

背景技术

一个典型的头戴显示设备由微型显示器和光学系统组成，由微型显示器产生的图像经过光学系统的放大后，供用户观察。头戴显示设备中的光学系统为目视光学系统，其在设计过程中必须考虑人眼的实际需求。光学系统的出瞳位置必须与人眼瞳孔位置重合，所以头戴显示设备设计时，主要考虑的参数为出瞳直径(D)、视场角(Fov)和焦距(f)。在头戴显示设备中，为了避免人眼转动使瞳孔与光学系统出瞳值两者失配过多，造成穿戴头戴显示设备的用户晕眩或像面丢失，光学系统的出瞳直径设计值比人眼瞳孔直径大很多，一般穿透式头戴显示器的光学系统出瞳直径的设计值为10—15mm。再者，光学系统的视场角决定了用户对观察图像的沉浸感，较大的视场有较好的用户沉浸感。最后，为了实现头戴显示器的轻便化与小型化，光学系统的焦距设计值必须控制在一定范围内，以保证结构的聚积性。

在头戴显示设备中，微型显示器的分辨率R’与光学系统分辨率R存在如式所述的数学关系：R＝R’/Fov

从上式可以看出，对于头戴显示设备中已经确定分辨率的微型显示器，光学系统的分辨率和视场大小式成反比的，增大光学系统的视场角必然会引起光学系统分辨率的降低。另外，增大视场还会引起光学系统的体积过大，无法实现头戴显示设备的轻便小型化。

为了保证光学系统的分辨率，并同时增大视场角，一种如现有技术(参见程德文，王涌天，华宏。宽视场高分辨率拼接式头盔显示设备，CN102782562A，2012)公开一种利用多块楔形棱镜进行视场拼接的头盔显示设备视场拼接技术被提出，此视场拼接技术通过将微型显示器的图像分为两部分，并采用双信道或多信道光学系统进行显示，不影响出瞳直径D和焦距f的情况下，以增大光学系统的视场角，可同时实现光学系统的高分辨率和大视场。

但是，该拼接技术实现的头戴显示器的不足之处在于：

其一，采用多棱镜拼接或透镜数组拼接的方法实现多信道显示，只是将单信道的视场进行几何迭加形成多通道，在增大视场的同时引起光学系统尺寸的增大，无法实现头戴显示设备的小型化和轻量化；

其二，采用的多个透镜采用的楔形棱镜包括三个自由曲面的边，所以每个棱镜组成透镜数组时，加工困难，所以增加了加工装配难度，且使用棱镜还有两个镜片的不对称问题、材料挑选问题、制造时的注塑缩水问题、热膨胀问题，胶合问题，以及实心材料构成重量大体积大的问题等等；

其三，视场拼接技术是采用多个透镜对于微型显示器图像进行多次折射和反射才被使用者所观察到，但多次的折射和反射降低了光能利用率；

其四，楔形棱镜对于外部实际光线的多次折射，会造成多色散、色差等等的像变问题，引起用户观察外部真实世界的失真。

发明内容

本发明在于提供一种通过多个自由透镜(结合对应数量的微显示/投影器的投影)进行位置结构匹配，然后通过主透镜造成视场拼接的视觉效果来扩大可视范围，包括扩大垂直可视角度和水平可视角度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种基于AR增强现实技术的显示设备，包括至少两个微型显示/投影器、至少一个主透镜以及至少两个自由曲面透镜，所述第一所述微型显示/投影器、第一所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第一视场与第二所述微型显示/投影器、第二所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第二视场，拼接组成拼接视场。