头戴显示设备及系统的制作方法

1.本实用新型涉及增强现实技术领域，具体涉及一种头戴显示设备及系统。


背景技术：

2.ar(augmented reality，增强现实)眼镜等头戴显示设备可将虚拟的信息叠加到真实世界，使真实的环境和虚拟的物体能够实时地叠加到同一个画面中，并在用户的眼前进行画面展示，增强用户的现实感。
3.用户在佩戴ar眼镜时，环境光进入用户的眼睛以使用户看到真实世界。用户佩戴ar眼镜，视觉效果是显示器显示的画面会投射到真实世界中，只有画面和真实环境之间的对比度适宜的时候，才能达到最佳显示效果。不同场合的环境光强不同，如果用户开始在强环境光的场合下佩戴ar眼镜，为了达到适宜的对比度，则显示器的显示亮度也相对较高；如果用户再移动到弱环境光的场合，而显示器的亮度不进行调节的话，则此时相对于弱环境光的场合来说，显示器的亮度过高，用户的会感觉比较刺眼。如果用户开始在弱环境光的场合下佩戴ar眼镜，为了达到适宜的对比度，则显示器的显示亮度也相对较低；如果用户再移动到强环境光的场合，而显示器的亮度不进行调节的话，则此时相对于强环境光的场合来说，显示器的亮度过低。由于画面的光线和环境光的对比度不明显，可能导致显示效果不理想，用户看不清显示画面。


技术实现要素：

4.鉴于现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的在于提供一种头戴显示设备及系统，能够解决现有技术中ar眼镜等头戴显示设备的显示器的亮度无法随环境光有效调节，显示效果较差的技术问题。
5.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种头戴显示设备，包括：
6.显示器，用于发出图像光线；
7.光学元件，所述光学元件构成所述头戴显示设备的外观并且用于对图像光线进行处理，所述处理至少包括反射、偏振、折射中的一种；
8.控制器，所述控制器与所述显示器电连接，以用于在遮光单元与所述头戴显示设备的壳体连接的状态下，基于所述遮光单元的光透过率信息和所述显示器的亮度之间的对应关系调整所述显示器的亮度；和
9.所述壳体，用于容纳所述控制器、显示器和所述光学元件。
10.在一些实施例中，所述光学元件包括分光镜和半反射镜，所述分光镜用于反射所述显示器发出的图像光线，所述半反射镜用于透射环境光线和反射所述分光镜反射的图像光线。
11.本实用新型还提供了一种头戴显示设备系统，包括：
12.上述的头戴显示设备；和
13.遮光单元；所述遮光单元可拆卸地与所述壳体连接并至少遮挡所述光学元件的一
部分，以用于调节通过所述光学元件的光量，所述遮光单元具有光透过率信息并与所述控制器通信连接，所述光透过率信息和所述显示器的亮度之间具有对应关系。
14.在一些实施例中，所述遮光单元包括多个遮光罩，每个所述遮光罩具有不同的光透过率以与所述显示器的多个亮度分别匹配。
15.在一些实施例中，每个所述遮光罩具有各自的编码，所述显示器具有与每个所述编码一一对应的多个亮度。
16.在一些实施例中，所述遮光单元的光透过率呈线性变化或呈阶梯状变化。
17.在一些实施例中，所述遮光单元设有用于调节所述遮光单元的光透过率的调节开关。
18.在一些实施例中，所述壳体上设有usb接口，所述遮光单元上设有与所述usb接口相配合的usb插头，所述遮光单元与所述壳体通过所述usb接口和所述usb插头连接并与所述控制器通信连接。
19.在一些实施例中，所述壳体上设有第一磁性元件和读写器，所述遮光单元上设有第二磁性元件和电子标签，所述遮光单元与所述壳体通过所述第一磁性元件和所述第二磁性元件连接，所述遮光单元通过所述读写器和所述电子标签与所述控制器通信连接。
附图说明
20.在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所申请的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
21.图1为本实用新型实施例的头戴显示设备的结构示意图；
22.图2为本实用新型实施例的头戴显示设备的显示器和光学元件的结构示意图；
23.图3为本实用新型实施例的头戴显示设备系统的分解结构示意图；
24.图4为本实用新型实施例的头戴显示设备系统的装配结构示意图；
25.图5为本实用新型实施例的遮光单元的结构示意图；
26.图6为图5中遮光单元的另一方向的局部结构示意图；
27.图7为本实用新型实施例的另一遮光单元的结构示意图；
28.图8为本实用新型实施例的头戴显示设备系统的结构示意图。
29.附图标记：
30.10-头戴显示设备；1-显示器、2-光学元件、21-分光镜、22-半反射镜；3-壳体；20-遮光单元、201-卡扣、202-第二磁性元件；101-第一图像光线、102-环境光线、103-第二图像光线；100-人眼。
具体实施方式
31.为了使得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的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。
32.除非另外定义，本实用新型使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
33.为了保持本实用新型实施例的以下说明清楚且简明，本实用新型省略了已知功能和已知部件的详细说明。
34.图1和图2示出了本实用新型实施例的头戴显示设备的结构示意图；图3、图4和图8示出了本实用新型实施例的头戴显示设备系统的结构示意图。如图1至图4、以及图8所示，本实用新型实施例提供了一种头戴显示设备10，该头戴显示设备10包括显示器1、光学元件2、控制器和壳体3。显示器1用于发出图像光线。光学元件2构成头戴显示设备10的外观并且用于对图像光线进行处理，此处的处理至少包括反射、偏振、折射中的一种。控制器与显示器1电连接，以用于在遮光单元20与头戴显示设备10的壳体3连接的状态下，基于遮光单元20的光透过率信息和显示器1的亮度之间的对应关系调整显示器1的亮度。上述壳体3用于容纳控制器、显示器1和光学元件2。
35.本实用新型实施例提供的头戴显示设备10通过壳体3容纳显示器1、光学元件2以及控制器，并将控制器与显示器1电连接，在遮光单元20与头戴显示设备10的壳体3连接的状态下，通过控制器获取遮光单元20的光透过率信息，并根据遮光单元20的光透过率信息和显示器1的亮度之间的对应关系，在不同的环境光场合下调整显示器1的亮度，可以获得相对于真实世界的适宜对比度的显示画面，使得头戴显示设备10在不同的环境光场合下均能达到最佳显示效果，提高头戴显示设备10的显示性能和适用范围，并提高用户使用体验。
36.可以理解的是，上述相对于真实世界的适宜对比度是指显示器1的亮度与通过头戴显示设备10的光学元件2进入人眼的环境光的亮度(环境光强)之间的合适的比值，可以达到理想的显示效果。
37.可以理解的是，显示器1和控制器可以容纳在壳体3的内部。
38.在一些实施例中，如图2所示，光学元件2包括分光镜21和半反射镜22，分光镜21用于反射显示器1发出的图像光线(第一图像光线101)，半反射镜22用于透射环境光线102和反射分光镜21反射的图像光线(第二图像光线103)。图2中单线箭头表示图像光线的光路，三角箭头表示环境光线102的光路。
39.分光镜21布置在显示器1的下游，半反射镜22布置在分光镜21的下游，显示器1发出的第一图像光线101的一部分经过分光镜21反射后入射至半反射镜22，入射至半反射镜22的第一图像光线101的一部分经半反射镜22向外透射，第一图像光线101的另一部分在半反射镜22处反射(经半反射镜22反射的第一图像光线101为第二图像光线103)，经半反射镜22反射的第二图像光线103的一部分透过分光镜21由人眼100观察到。与此同时，环境光线102(真实世界的情景)可以从外部入射至半反射镜22，环境光线102依次经过半反射镜22和分光镜21透射后由人眼100观察到。显示器1发出的图像光线所呈现的图像与环境光线102
所呈现的环境图像在人眼100中叠加，可以使头戴显示设备10的佩戴者(用户)感知现实场景的增强现实效果。即，佩戴头戴显示设备10后，用户同时看到真实世界，以及在真实世界中添加的虚拟画面。例如，在真实世界的桌子上放置虚拟的卡通人物，或是视野中显示虚拟的图像、视频等。
40.在另一些实施例中，光学元件2也可以为其他元件，例如，光学元件可以包括上述的分光镜21，以及设置在分光镜21和人眼100之间的反射镜、折射镜或二者的结合等，显示器1发出的第一图像光线101的一部分经过分光镜21透射后，通过设置在分光镜21和人眼100之间的反射镜的反射和/或折射镜的折射后进入人眼100，而环境光线102的一部分直接经过分光镜21透射至人眼100。
41.具体实施中，光学元件2可以根据用户的实际需求进行确定，例如，为减少头戴式显示设备的散射，可以通过对光学元件2进行确定以及对确定的各光学元件2进行相应的布置，使得显示器1发出的第一图像光线101的大部分能够入射至人眼100。
42.本实施例中，头戴显示设备10可以为ar眼镜，包括镜片，该镜片构成头戴显示设备10的分光镜21和半反射镜22。分光镜21和半反射镜22构成了ar眼镜的外观，本文中的“外观”指的是在用户观察ar眼镜时，能直接从外部看到的部分。头戴显示设备10也可为头盔等能够增强现实的设备。
43.图3、图4和图8示出了本实用新型实施例的头戴显示设备系统的结构示意图；图5至图7示出了本实用新型实施例的头戴显示设备系统的遮光单元的结构示意图。
44.如图3至图8所示，本实用新型实施例还提供了一种头戴显示设备系统，该头戴显示设备系统包括上述的头戴显示设备10和遮光单元20。遮光单元20可拆卸地与壳体3连接并至少遮挡光学元件2的一部分，以用于调节通过光学元件2的光量，遮光单元20具有光透过率信息并与控制器通信连接。光透过率信息和显示器1的亮度之间具有对应关系。
45.本文所指的“光透过率信息”指示的是遮光单元20能允许多少光通过的信息，例如指示遮光单元20能允许0、20％、40％、65％等环境光通过的信息。显示器1的亮度可以预先设定，例如在遮光单元20不与头戴显示设备10的壳体3连接时，显示器1的亮度设定为基准亮度。光透过率信息和显示器1的亮度之间的对应关系可以预先建立。
46.例如当光透过率信息指示允许0环境光通过时，即遮光单元20完全不透光，用户不能通过头戴显示设备10观察到外界环境，可以将该光透过率信息对应的显示器亮度设定为低于基准亮度，例如基准亮度的65％对应0环境光。此时由于没有外界光进入用户的眼镜，较低的显示器1的亮度则可以达到适宜的对比度和舒适的显示效果，较低的显示器亮度可以降低功耗。
47.例如用户在环境光强度较强的户外使用头戴显示设备10时，在上述环境光强度下，可能需要将显示器1的亮度在基准亮度的基础上调高65％才能达到适宜的对比度以看清显示画面。然而过高的显示器亮度使得进入用户眼镜的整体光线强度过高，引起不适感并且功耗高。用户可以将遮光单元20与壳体3连接，以调节通过光学元件2的环境光的光量。例如，遮光单元20的光透过率信息指示其能允许60％的环境光通过，则此时可以根据预设的对应关系调节显示器1的亮度。例如，显示器1的亮度在基准亮度的基础上调高5％，以达到适宜的对比度，使得进入用户眼镜的整体光线强度适宜，且功耗低。
48.可以理解的，光透过率信息和显示器1的亮度之间还可以具有其他对应关系，本文
未一一举例，本领域技术人员可以通过实际产品情况对上述对应关系进行调整。
49.可以理解的，上述0、5％、20％、40％、60％、65％等值均是示例的，并不能对本实用新型进行限制，本领域技术人员可以通过实际产品情况对上述值进行修改。
50.本实用新型实施例提供的头戴显示设备系统通过将能够至少遮挡光学元件2的一部分的遮光单元20可拆卸地安装于头戴显示设备10，根据遮光单元20的光透过率信息和显示器1的亮度之间的对应关系，可以对显示器1的亮度进行相应调整，获得相对于真实世界的适宜对比度的显示画面，使得头戴显示设备系统在不同的场合下均能达到最佳显示效果，提高头戴显示设备系统的显示性能和适用范围。
51.在一些实施例中，遮光单元20可以包括多个遮光罩，每个遮光罩具有不同的光透过率以与显示器1的多个亮度分别匹配。
52.即为了适应不同场合的环境光强，为头戴显示设备10配置允许不同量的光透过的遮光罩，以调整进入头戴显示设备10的环境光量，进而根据对应的遮光罩的光透过率信息，对显示器1的亮度进行适应性调整。每个遮光罩具有固定的彼此不同的光透过率，用户可以在不同的光强场合选择不同的遮光罩，以适应不同的场合。
53.进一步地，每个遮光罩具有各自的编码，显示器1具有与每个编码一一对应的多个亮度。即可以对具有不同光透过率信息的每个遮光罩进行编码，并将每个编码和显示器1的亮度的对应关系预先存储。在将对应编码的遮光罩安装于壳体3后，控制器可以根据遮光罩的编码快速查找显示器1对应的亮度，进而对显示器1的亮度进行快速调整，以适配该遮光罩，如此，可以提高显示器1亮度的调整效率。
54.在另一些实施例中，遮光单元20的光透过率呈线性变化或呈阶梯状变化。即遮光单元可以为单一遮光罩，该遮光罩的光透过率可以根据环境光强的变化而变化，然后根据变化后的遮光罩的光透过率调整显示器1的亮度。
55.遮光单元20为单一遮光罩时，用于制作该遮光罩的元件可以为电致变色元件、光致变色元件、压致变色元件和液晶元件中的一种，以形成光透过率可变的遮光罩。
56.具体实施中，遮光罩可以是在与ar眼镜的镜片对应的部分(镜片的外侧)利用电致、光致、压致变色材料或是液晶制成；也可以是镜片由透明镜片制成，并在镜片朝向遮光罩的一侧表面(外侧表面)贴附由上述电致、光致、压致变色材料或是液晶制成的膜，形成上述遮光罩。
57.可选的，遮光单元20设有用于调节遮光单元20的光透过率的调节开关。即当遮光单元20为单一遮光罩时，可以通过设置在该遮光单元20处的调节开关对遮光单元20的光透过率进行调整，调节方便。
58.本实施例中，仅设置一个遮光罩作为遮光单元20，并通过调节开关对遮光单元20的光透过率进行调节，调节方便，且无需频繁拆装更换遮光罩，能够延长头戴显示设备系统的使用寿命。仅设置一个遮光罩的实施例中，头戴显示设备系统进行维修更换时，可能需要将遮光罩和调节开关一起进行更换，而多个遮光罩形成的遮光单元20中仅需更换相应的遮光罩即可，拆装、更换方便，无需整体更换，能降低整机成本。
59.在一些实施例中，壳体3上设有usb接口，遮光单元20上设有与usb接口相配合的usb插头，遮光单元20与壳体3通过usb接口和usb插头连接并与控制器通信连接。即遮光单元20通过usb接口和usb插头的插接配合，既实现遮光单元20与头戴显示设备10的机械连
接，又实现遮光单元20与控制器的有线通信连接，传输遮光罩的信息。
60.可选地，在另一些实施例中，壳体3上的usb接口可以为磁吸式usb接口，遮光单元20上设有与磁吸式usb接口配合的磁吸式usb接头，遮光单元20与壳体3通过磁吸的方式连接，且遮光单元20通过usb接口与设于壳体3内的控制器有线通信连接。
61.上述实施例中，通过usb接口和usb插头(或usb接头)的配合，既能够实现遮光单元20的固定连接，又能够进行通信，可以减少系统的零部件。
62.可选地，在又一些实施例中，如图5和图6所示，遮光单元20的边缘设有卡扣201，壳体3上设有与卡扣201相配合的卡槽，以使遮光单元20与壳体3固定连接。即可以通过卡扣201和卡槽相配合的卡接方式将遮光单元20与壳体3机械连接，以保证遮光单元20安装的可靠性，防止在使用时从头戴显示设备10脱落，提高用户使用体验。
63.可选地，在又一些实施例中，如图7和图8所示，壳体3上设有第一磁性元件和读写器，遮光单元20上设有第二磁性元件202和电子标签，遮光单元20与壳体3通过第一磁性元件和第二磁性元件202连接，遮光单元20通过读写器和电子标签与控制器通信连接。即本实施例中，遮光单元20与壳体3通过两个磁性元件的相互吸力吸附连接，拆装方便；且通过读写器和电子标签相配合的近端无线通信连接方式(例如rfid或nfc)与控制器通信连接(控制器与设于壳体的电子标签电连接)，实现遮光罩信息的快速传输。
64.另一些实施例中，也可以通过zig-bee、蓝牙(bluetooth)、无线宽带(wi-fi)等无线通信方式将遮光单元20和控制器通信连接。由于遮光单元20需要安装于头戴显示设备10，因此，本实施例中，采用读写器和电子标签配合的近端通信连接方式，在实现信息快速传输的同时，可以降低成本。
65.具体实施中，遮光单元20和壳体3的固定连接方式(例如磁吸式连接、卡接等)，以及遮光单元20和控制器的通信连接方式(例如上述列举的方式)，可以根据实际需要进行设置，本实施例中不具体限定。
66.以上实施例仅为本实用新型的示例性实施例，不用于限制本实用新型，本实用新型的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本实用新型的实质和保护范围内，对本实用新型做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本实用新型的保护范围内。