一种低能耗的头戴显示器的制作方法

1.本实用新型涉及虚拟现实领域，尤其涉及一种低能耗的头戴显示器。


背景技术：

2.增强现实(augmented reality,ar)以及混合现实(mixed reality,mr)是一种能实现虚实融合的技术。目前在用于实现虚像投影的各种技术中，光波导(衍射或阵列光波导)因其相较于传统方案(bird bath、虫眼、自由曲面棱镜)轻薄、眼盒大的特点而成为主流技术。不过，由于光引擎屏幕亮度和光波导效率的限制，目前的头戴显示器主要在室内场景使用。为了扩大应用场景，需要提升头戴显示器在外界强光及弱光下的适应能力。
3.中国专利cn109862339a公开了一种根据环境光和位置修正虚拟图像的方法，其中需要两个成像镜头；类似的，根据rgb镜头感知外环境调节ar系统光效、降低屏幕能耗；通过实时开启摄像头具有高耗能的特点。
4.在现有的设计方案中，为了削弱高亮度的环境光，增设可电控透过率的悬浮颗粒层，或增设液晶装置，但是这些装置同样需要额外的电源，增加了设备的复杂度和成本，并且液晶对环境温度有要求，还可能引入杂散光，从而无法解决能耗较高且导致的成像效果较差的问题。
5.因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

6.鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种低能耗的头戴显示器，旨在解决现有的头戴显示器在暗环境中导致的能耗较高的问题。
7.本实用新型的技术方案如下：
8.一种低能耗的头戴显示器，其中，包括：
9.框架结构和投影装置；
10.环境光调适结构，所述环境光调适结构连接于所述框架结构；
11.其中，所述环境光调适结构包括传感器结构和/或镜片结构，所述传感器结构用于感知暗环境，所述镜片结构用于被动适应亮环境。
12.所述低能耗头戴显示器，其中，还包括设置于所述框架结构的光波导结构，所述光波导结构位于所述框架结构的内侧，所述光波导结构为至少一层的光波导。
13.所述低能耗头戴显示器，其中，所述传感器结构为环境光传感器，所述环境光传感器包括硅光电倍增管传感器、雪崩二极管传感器、光敏电阻传感器、光热传感器、光敏二极管、光电三极管和硅光电池中的一种。
14.所述低能耗头戴显示器，其中，所述头戴显示器还包括与所述环境光传感器信号连接的控制器，所述环境光传感器通过所述控制器调节所述投影装置的发光元件的亮度。
15.所述低能耗头戴显示器，其中，所述环境光传感器还包括滤色装置，所述环境光传感器可通过所述滤色装置获取多色信息，通过所述控制器可调节发光元件的亮度和/或色
温。
16.所述低能耗头戴显示器，其中，所述框架结构包括镜框以及与所述镜框连接的镜腿，所述环境光传感器设置于所述镜腿或所述镜框。
17.所述低能耗头戴显示器，其中，所述镜片结构为变色镜片，所述框架结构上设置有可拆卸件，所述变色镜片通过所述可拆卸件与所述框架结构可拆卸连接；
18.其中，所述可拆卸连接为磁吸式连接，所述可拆卸件为第一磁吸圈；或者所述可拆卸连接为卡扣式连接，所述可拆卸件为第一卡扣结构；或者所述可拆卸件为第一铰链结构；或者所述可拆卸件为第一夹持结构；或者所述可拆卸件为第一螺栓结构；或者所述可拆卸件为第一榫卯结构；或者所述可拆卸件为第一贴合层结构。
19.所述低能耗头戴显示器，其中，所述变色镜片包括基板和与所述基板连接的变色膜层。
20.所述低能耗头戴显示器，其中，所述镜片结构为吸光镜片，所述镜片结构与所述框架结构可转动连接，所述框架结构上设置有转动件，所述吸光镜片通过所述转动件与所述框架结构连接；
21.其中，所述转动件为第二磁吸圈或第二卡扣结构，所述吸光镜片与所述第二磁吸圈可吸附转动连接，所述吸光镜片与所述第二卡扣结构可卡接；或者所述转动件为第二铰链结构；或者所述转动件为第二夹持结构。
22.所述低能耗头戴显示器，其中，所述光波导包括光波导基底和设置于所述光波导基底的衍射结构，所述衍射结构用于将所述投影装置的出射光以全反射形式导入所述光波导基底，导入所述光波导基底的光导出至人眼；
23.其中，所述衍射结构为表面浮雕光栅或体布拉格光栅；
24.或者，所述光波导为阵列光波导，所述阵列光波导在所述光波导基底内部倾斜设置一系列部分透反结构，用于将在所述光波导基底中传输的光线反射导出至人眼。
25.有益效果：本实用新型公开了一种低能耗的头戴显示器，其中，包括：框架结构和投影装置；环境光调适结构，所述环境光调适结构连接于所述框架结构；其中，所述环境光调适结构包括传感器结构和/或镜片结构，所述传感器结构用于感知暗环境，所述镜片结构用于被动适应亮环境。在本实用新型中，通过将一种获知暗环境的传感器结构与框架结构连接，和/或通过适应亮环境的镜片结构与框架结构连接的设置方式，实现感知到在暗环境，和/或亮环境下自动调节亮度的目的，达到降低能耗与提高用眼舒适度的效果。
附图说明
26.图1为本实用新型的存在环境光传感器的头戴显示器的立体结构图。
27.图2为本实用新型的变色镜片与框架结构不可拆卸时的侧视图。
28.图3为本实用新型的变色镜片与框架结构可拆卸连接时拆卸状态下的侧视图。
29.图4为本实用新型的变色镜片与框架结构可拆卸连接时安装状态下的侧视图。
30.图5为本实用新型的变色镜片的侧视图。
31.图6为本实用新型的铰链式连接吸光镜片与框架结构未遮光状态下的侧视图。
32.图7为本实用新型的铰链式连接吸光镜片与框架结构遮光状态下的侧视图。
具体实施方式
33.本实用新型提供一种低能耗的头戴显示器，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
34.需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者间接连接至该另一个部件上。
35.还需说明的是，本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，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，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
36.在现有的设计方案中，为了削弱高亮度的环境光，增设可电控透过率的悬浮颗粒层，或增设液晶装置，但是这些装置同样需要额外的电源，增加了设备的复杂度和成本，并且液晶对环境温度有要求，还可能引入杂散光，从而无法解决能耗较高的问题，并可能降低成像效果。
37.为了解决上述问题，本实用新型提供了一种低能耗的头戴显示器，如图1或图2所示，包括：框架结构100和投影装置(图中未标出)；环境光调适结构，所述环境光调适结构连接于所述框架结构100；其中，所述环境光调适结构包括传感器结构200和/或镜片结构300，所述传感器结构200用于感知暗环境，所述镜片结构300用于被动适应亮环境。
38.值得说明的是，所述环境光调适结构包括传感器结构200与镜片结构300的至少一个结构，例如仅为传感器结构200或镜片结构300；在本实施例中，环境光调适结构包括传感器结构200与镜片结构300。
39.在本实用新型所述低能耗的头戴显示器的较佳实施例中，具体地，如图1所示，框架结构100包括镜框110和设置在镜框两端的镜腿120，镜腿120的外侧分别设置有一个环境光传感器200(即传感器结构)，环境光传感器200主要组件设置为光敏电阻，镜框110内固定连接(即不可拆卸)有两个变色镜片300，变色镜片300内侧设置有双层的光波导400，所述投影装置设置在变色镜片300靠近镜腿侧。通过采用上述技术方案，通过将一种传感器结构与框架结构连接，配合适应亮环境镜片结构的设置方式，通过传感器结构获知暗环境，实现感知到在暗环境下自动调节亮度的目的，达到降低能耗与提高用眼舒适度的效果。
40.在本实施例中，如图2至图4所示，所述头戴显示器还包括设置于所述框架结构100的光波导结构400，所述光波导结构400位于所述镜片结构300的内侧，所述光波导结构400为至少一层的光波导。
41.具体地，所述光波导结构400设置为单层或多层形式，图2示意双层光波导。需要说明的是，所述光波导结构400可设置保护层，光波导不限于衍射波导和阵列波导。
42.在本实施例中，所述光波导400包括光波导基底和设置于所述光波导基底的衍射结构，所述衍射结构用于将所述投影装置的出射光以全反射形式导入所述光波导基底，和将导入所述光波导基底的光导出至人眼；其中，所述衍射结构通过表面浮雕光栅或体布拉
格光栅来实现；或者，所述光波导为阵列光波导，所述阵列光波导在所述光波导基底内部倾斜设置一系列部分透反结构，用于将在所述光波导基底中传输的光线反射导出至人眼。
43.需要说明的是，阵列光波导的所述部分透反结构可设置为50％反射、50％透射或除此之外的其他形式。
44.在本实施例中，所述传感器结构为环境光传感器，所述环境光传感器200包括硅光电倍增管传感器(sipm)、雪崩二极管传感器(apd)、光敏电阻传感器、光热传感器、光敏二极管、光电三极管和硅光电池中的一种。
45.需要说明的是，环境光传感器还可包括电流放大器，和/或低通滤波器；传感器结构也可设置为与其他用于该功能的传感器，在此不做具体限定。
46.在本实施例中，所述头戴显示器还包括与所述环境光传感器200信号连接的控制器(图中未标出)，所述环境光传感器通过所述控制器调节所述投影装置的发光元件的亮度和/或色温。
47.具体地，所述环境光传感器200还包括滤色装置(图中未标出)，所述环境光传感器可通过所述滤色装置获取多色信息，通过所述控制器可调节发光元件的亮度和/或色温。
48.进一步，所述滤色装置为滤色片，所述头戴显示器通过有滤色片的环境光传感器获取多色信息，头戴显示器通过控制器调节发光元件的亮度或色温，也就是头戴显示器通过控制器调节投影装置的亮度或色温。
49.在本实施例中，所述投影装置中的发光元件可设置为发光屏幕或传感器，具体为led屏、microled屏、lbs中的激光器、dlp或lcos中的led灯，环境光传感器200通过控制器调节发光元件的亮度(或功率等相关量)；所述投影装置设置在镜框结构100上。
50.进一步，投影装置为单色投影装置时，只能调亮度不能调色温；投影装置为多色投影装置时，通过多色亮度一致地调亮或调暗来调节亮度，通过多色亮度不一致地调节来调节色温。
51.需要说明的是，耦入光线是投影装置发出的，需要一个投影镜头和一个光源(发光元件)，这两者合并称为投影装置；环境光传感器200对照度的感知能力在0.001～100000lux间(lux为光照度)，主要感知暗环境，当感知到环境光较弱时，自动调低屏幕亮度。若传感器为有滤色装置即为彩色传感器，则可对应调节色温；若环境光传感器200具备和人眼类似的光谱响应能力，则传感器所得信号与人眼观感匹配。
52.传感器通常是宽谱的，如果不加滤色片，各色信号叠加无法获取彩色信息，在本实施例中的环境光传感器200内设有滤色片，则能区别地获知多色信息(即暗环境光的彩色信息)，也就是当前环境的色温，从而通过与所述滤色片信号连接的所述控制器调整所述投影装置(即投影屏幕)的色温，从而使屏幕信息经镜头结构投影至耦入光栅，经波导传输过程让人眼感知屏信息。
53.使用环境光传感器替代一个或多个rgb相机感知外环境，调节屏幕亮度，头戴显示器主要用于暗适应，降低屏幕能耗和提高人眼观看舒适度。
54.在本实施例中，如图1所示，所述框架结构100包括镜框110以及与所述镜框110连接的镜腿120，所述环境光传感器200设置于所述镜腿120或所述镜框110。
55.如图1所示，所述镜腿120的数量为两个，分别与镜框110的两端转动连接。需要说明的是，镜腿120也可与镜框110固定连接，具体设置时可根据实际的使用需求自主修改。环
境光传感器200设置在镜腿120的外侧，或者设置在镜框上，进一步设置在镜框的鼻托一侧。
56.在本实施例中，如图2或图5所示，所述镜片结构300为变色镜片，所述框架结构上设置有可拆卸件，所述变色镜片通过所述可拆卸件与所述镜框110可拆卸连接；其中，所述可拆卸连接为磁吸式连接，所述可拆卸件为第一磁吸圈；或者所述可拆卸连接为卡扣式连接，所述可拆卸件为第一卡扣结构；或者所述可拆卸件为第一铰链结构；或者所述可拆卸件为第一夹持结构；或者所述可拆卸件为第一螺栓结构；或者所述可拆卸件为第一榫卯结构；或者所述可拆卸件为第一贴合层结构。
57.具体地，两者采用可拆卸连接方式时，所述镜框110上设置有第一磁吸圈(即可拆卸件，图示未标出)，所述变色镜片300通过第一磁吸圈与镜框110吸附形成固定；或者镜框110上设置有第一卡扣结构(即可拆卸件，图中未标出)，变色镜片300通过第一卡扣结构与镜框110通过卡扣形式固定；或者所述可拆卸件为第一螺栓结构；或者所述可拆卸件为第一榫卯结构；或者所述可拆卸件为第一贴合层结构。需要说明的是，所述框架结构的可拆卸件与变色镜片的可拆卸连接方式不做具体限定，具体根据实际使用需求设置。
58.进一步，如图3或图4所示，所述镜框110与所述变色镜片300通过卡扣组件可拆卸连接时，所述变色镜片300上设有凸起，所述镜框上设有凹槽，也可反向设置(镜片上设有凹槽、镜框上设有凸起)或混合设置(镜片和镜框上均有凹槽和凸起)。
59.在本实施例中，所述变色镜片300包括基板310和与所述基板连接的变色膜层320。
60.具体地，如图5所示，所述变色镜片300包括依次连接的基板310、变色膜层320、防眩光层330、增透层340和加硬层350(即防护层)所述基板310朝向所述光波导结构400一侧。需要说明的是，变色镜片300包括基板310和与基板连接的变色膜层320，所述防眩光层330、增透层340和加硬层350可根据具体情况进行设置；所述基板310也可设置为远离所述光波导结构400的一侧。
61.需要说明的是，所述变色膜层320使得镜片在日光和紫外线照射下可迅速变暗，主要是吸收可见光，当回到暗处时，能快速恢复无色透明；所述防眩光层330用于实现防眩光的目的；增透膜层340用于减少反射，增加光的透过率，增加镜片的清晰度；加硬膜层350用于加强镜片的强度，提供镜片的抗冲击能力。基板310、变色膜层320、防眩光层330、增透层340和加硬层350具有透光性。
62.变色镜片300的实现方式为膜层变色，变色膜层的主要感光成分为卤化银、聚合物或其他材料，在室外亮环境，变色镜片透过率下降，光照越强透过率越低，而此时虚拟图像亮度不变，如图2至4所示，变色镜片与框架结构100的组合方式不限于镜片的弧度与形状，不限于双目独立镜片或一体式镜片，不限于镜片和鼻托间形成的夹角。
63.变色镜片300的实现方式也可设置为基材变色。
64.需要说明的是，通过变色镜片的设置方式，使用变色镜片(可逆地适应环境光)替代传统不可调节亮度的保护层，替代使用液晶、spd等高能耗的环境光阻挡装置，增强头戴显示器在室内室外场景切换时的观看效果，实现结构简单、无需额外能耗的目的。
65.在本实施例中，变色镜片是自动感光的被动调节，不受控制器作用。变色膜有感光分子如卤化银，光照时分解，透过率降低；光照弱时分解的物质重新化合，透过率升高。
66.在另一种较佳实施例中，所述镜片结构300为吸光镜片，所述镜片结构与所述镜框110可转动连接，所述镜框110上设置有转动件(图中未标出)，所述吸光镜片300通过所述转
动件与所述镜框110连接；其中，所述转动件为第二磁吸圈或第二卡扣结构，所述吸光镜片与所述第二磁吸圈可吸附转动连接，所述吸光镜片与所述第二卡扣结构可卡接，或者所述转动件为第二铰链结构；或者所述转动件为第二夹持结构。具体根据实际使用需求设置。
67.具体地，如图6或图7所示，所述框架结构100包括镜框110和与所述镜框110连接的镜腿120，所述环境光传感器120设置于所述镜框110，所述镜片结构300为吸光镜片，所述镜片结构与所述镜框120可转动连接，所述镜框110上设置有第二磁吸圈(图中未标出)，所述吸光镜片300与通过所述第二磁吸圈与镜框110转动连接。
68.如图6所示，吸光镜片300即遮光片，遮光片与镜框110转动角度范围可设置为0
°
至180
°
，进一步设置为可翻转90
°
，遮光片在光照较强时，可降低人眼感知到的环境光亮度。进一步的，若遮光片具备防眩光层，则可进一步降低环境眩光对人眼观看外环境与虚拟物体时的影响。
69.可以理解的是，如图6或图7所示，在光波导结构400外侧设置翻盖镜片(即吸光镜片)覆盖通光区域，连接装置设置在鼻托或镜框上，不限于铰链、卡扣、夹取方式。
70.需要说明的是，变色镜片成本较高，相对于吸光镜片(即翻盖镜片)无需手动调节；翻盖镜片成本较低，但需手动调节，但由于调节后可固定位置，在使用中不会随意晃动，翻盖为低频操作。从而可通过两类镜片配备环境光传感器以调节屏幕亮度；使用翻盖镜片(动态适应环境光)替代传统不可调节亮度的保护层，或使用液晶、spd等高能耗的环境光阻挡装置，增强头戴显示器在室内室外场景切换时的观看效果，装置简单、无需额外能耗。
71.在本实施例中，所述环境光传感器200的数量设置为两个，分别设置在所述镜腿120的外侧。两个所述环境光传感器200均为光敏电阻，且分别设置在镜腿的外侧，如图1所示。
72.需要说明的是，环境光传感器200可设置为一个或多个，且可设置在镜框的顶部或底部外侧。
73.综上所述，本实用新型提供了一种低能耗的头戴显示器，其中，包括：框架结构和投影装置；环境光调适结构，所述环境光调适结构连接于所述框架结构；其中，所述环境光调适结构包括传感器结构和/或镜片结构，所述传感器结构用于感知暗环境，所述镜片结构用于被动适应亮环境。在本实用新型中，通过将一种传感器结构与框架结构连接，配合适应亮环境镜片结构的设置方式，通过传感器结构获知暗环境，实现感知到在暗环境，和/或亮环境下自动调节亮度的目的，达到降低能耗与提高用眼舒适度的效果。
74.应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。