变焦头戴设备.pdf

本发明公开了一种变焦头戴设备，属于可穿戴显示设备领域，其解决了现有技术存在的有视力缺陷的人使用有不适感、造成眼睛伤害的问题。本发明的变焦头戴设备包括镜框、显示屏和变焦透镜；显示屏和变焦透镜间接或直接固定在镜框上，变焦透镜设置在显示屏的靠近人眼的一侧；显示屏用于显示图像信息；变焦透镜的焦距可调，并采用合适的焦距将来自所述显示屏的光线折射到人眼的瞳孔，并成像在人眼视网膜上。本发明能够适用于不同视力的群体，还能避免造成眼镜伤害。

权利要求书
1.  一种变焦头戴设备，其特征在于，包括：
镜框、显示屏和变焦透镜；
其中，所述显示屏和变焦透镜间接或直接固定在镜框上；所述变焦透镜设置在显示屏的靠近人眼的一侧；
所述显示屏用于显示图像信息；
所述变焦透镜的焦距可调，并采用合适的焦距将来自所述显示屏的光线折射到人眼的瞳孔，并成像在人眼视网膜上。

2.  根据权利要求1所述的变焦头戴设备，其特征在于，所述变焦透镜为液晶透镜，或者液体透镜。

3.  根据权利要求2所述的变焦头戴设备，其特征在于，所述变焦透镜通过驱动电压的变化来改变焦距。

4.  根据权利要求1所述的变焦头戴设备，其特征在于，所述变焦透镜为单片透镜，或者多片透镜。

5.  根据权利要求1所述的变焦头戴设备，其特征在于，所述显示屏直接固定在镜框上；或者，
所述镜框上固定有镜片；所述显示屏为一微型显示屏幕，其嵌在所述镜片中。

6.  根据权利要求1所述的变焦头戴设备，其特征在于，所述变焦头戴设备为智能眼镜；所述智能眼镜为单目智能眼镜或者双目智能眼镜。

7.  根据权利要求1至6任一项所述的变焦头戴设备，其特征在于，包括变焦驱动电路，用于在打开所述显示屏使其显示图像时，调整所述变焦透镜的焦距使成像在人眼视网膜上的图像清晰。

8.  根据权利要求7所述的变焦头戴设备，其特征在于，所述显示屏显示的图像尺寸k满足以下条件：
k≤(gd+f-gf)p+ged,]]>
其中，g为所述显示屏与所述变焦透镜的间距，d为所述变焦透镜与人眼瞳孔的间距，f为所述变焦透镜的焦距，p为所述变焦透镜的尺寸，e为人眼瞳孔的大小。

9.  根据权利要求8所述的变焦头戴设备，其特征在于，当使用者的视力正常或者近视时，使用者调整所述变焦透镜的焦距，使所述显示屏显示的图像位于所述变焦透镜一倍焦距以内；各参数之间满足以下关系：
fgf-g+d>2f′,]]>f′为人眼球焦距。

10.  根据权利要求8所述的变焦头戴设备，其特征在于，当使用者的视力正常或者远视时，使用者调整所述变焦透镜的焦距，使所述显示屏显示的图像位于所述变焦透镜一倍焦距与两倍焦距之间；各参数之间满足以下关系：
t为人眼瞳孔和视网膜的间距。

说明书变焦头戴设备
技术领域
本发明涉及可穿戴显示设备领域，特别是涉及一种变焦头戴设备。
背景技术
穿戴式智能设备作为一种未来科技，无论在时尚界还是在电子消费产品市场上，都是人们关注的焦点。随着科学技术的发展，越来越多的智能手表、智能腕带和智能眼镜等开始走近人们的生活中。而这其中，头戴式显示设备无疑是穿戴式智能设备中的先驱者。早期的头戴式显示设备典型实例是头盔显示和眼镜电视，但由于头盔显示过于笨重，而眼镜电视也存在体积大，不透明等缺点。随着头戴式显示设备的进一步发展，小型化，多功能和透明式的智能眼镜应运而生。
如今市场上的头戴设备的显示装置通常包括显示屏和棱镜，显示屏用于显示图像，棱镜则用于将显示屏射出的光反射到人眼里，从而在人眼的视网膜上形成图像。
现有的头戴设备的设计对象大都是视力正常的人，其多功能也是以正常人的使用范畴为前提。对于有视力缺陷的人群，如近视眼和远视眼，在使用这些头戴设备的时候，使用者观看到的图像模糊，同时，会给使用者带来不适感，并会造成眼睛的伤害。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种变焦头戴设备，其能适用于正常视力的人，又能适用于有视力缺陷的人，并且不会带来不适感，能避免伤害眼睛。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种变焦头戴设备，该变焦头戴设备包括镜框、显示屏和变焦透镜。其中，所 述显示屏和变焦透镜间接或直接固定在镜框上；所述变焦透镜设置在显示屏的靠近人眼的一侧；所述显示屏用于显示图像信息；所述变焦透镜的焦距可调，并采用合适的焦距将来自所述显示屏的光线折射到人眼的瞳孔，并成像在人眼视网膜上。
优选地，所述变焦透镜为液晶透镜，或者液体透镜。
优选地，所述变焦透镜通过驱动电压的变化来改变焦距。
优选地，所述变焦透镜为单片透镜，或者多片透镜。
优选地，所述显示屏直接固定在镜框上；或者，所述镜框上固定有镜片；所述显示屏为一微型显示屏幕，其嵌在所述镜片中。
优选地，所述变焦头戴设备为智能眼镜；所述智能眼镜为单目智能眼镜或者双目智能眼镜。
优选地，包括变焦驱动电路，用于在打开所述显示屏使其显示图像时，调整所述变焦透镜的焦距使成像在人眼视网膜上的图像清晰。
优选地，所述显示屏显示的图像尺寸k满足以下条件：
k≤(gd+f-gf)p+ged,]]>
其中，g为所述显示屏与所述变焦透镜的间距，d为所述变焦透镜与人眼瞳孔的间距，f为所述变焦透镜的焦距，p为所述变焦透镜的尺寸，e为人眼瞳孔的大小。
优选地，当使用者的视力正常或者近视时，使用者调整所述变焦透镜的焦距，使显示屏显示的图像位于所述变焦透镜一倍焦距以内；各参数之间满足以下关系：
fgf-g+d>2f′,]]>f′为人眼球焦距。
优选地，当使用者的视力正常或者远视时，使用者调整所述变焦透镜的焦距，使所述显示屏显示的图像位于所述变焦透镜一倍焦距与两倍焦距之间；各参数之间满足以下关系：
gfg-f-d>t,]]>t为人眼瞳孔和视网膜的间距。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的变焦头戴设备在显示屏的后侧设置焦距可调的变焦透镜，通过调整该变焦透镜的焦距，使得显示屏显示的图像在进入需要矫正视力的人眼之前进行光学处理，从而使需要矫正视力的人眼能看清图像，不需要另外佩戴眼镜，并且提高了使用者的舒适度，还能避免对眼睛的伤害。
附图说明
图1是本发明的变焦头戴设备的第一实施例的结构示意图；
图2是本发明的变焦头戴设备的第一实施例的显示屏和变焦透镜的截面结构示意图；
图3是本发明的变焦头戴设备的第一实施例的成像模式一的原理示意图；
图4是本发明的变焦头戴设备的第一实施例的成像模式二的原理示意图；
图5是本发明的变焦头戴设备的第二实施例的结构示意图；
图6是本发明的变焦头戴设备的第二实施例的成像模式一的原理示意图；
图7是本发明的变焦头戴设备的第二实施例的成像模式二的原理示意图；
图8是本发明的变焦头戴设备的第二实施例进行3D显示的原理示意图。
其中，1、镜框；2、显示屏；21、微型显示屏幕；22、镜片；23、图像；24、左视差图像；25、右视差图像；26、3D图像；3、变焦透镜；4、微型摄像头耳机；5、耳挂；6、人眼；61、瞳孔；62、视网膜；7、虚像；8、实像；9、镜腿；10、耳机；11、距离传感器。
具体实施方式
本发明的变焦头戴设备可以是头盔、眼罩或者智能眼镜、非智能眼镜等常用设备，当其为智能眼镜的时候，可以是单目智能眼镜或者双目智能眼镜。
智能眼镜是指：像智能手机一样，具有独立的操作系统，可以由用户安装软件、游戏等软件服务商提供的程序，可通过语音或动作操控完成添加日程、地图导航、与好友互动、拍摄照片和视频、与朋友展开视频通话等功能，并可以通过移动通讯网络来实现无线网络接入的这样一类眼镜的总称。
下面以智能眼镜为例，并结合附图对本发明进行详细说明。
请参阅图1、图2和图3，图1是本发明的变焦头戴设备的第一实施例的结构示意图；图2是本发明的变焦头戴设备的第一实施例的显示屏和变焦透镜的截面结构示意图；图3为本发明的变焦头戴设备的第一实施例的成像模式一的原理示意图。
本实施例中，变焦头戴设备为单目智能眼镜，该单目智能眼镜包括镜框1、显示屏2和变焦透镜3。
显示屏2用于显示图像。变焦透镜3的焦距可调，显示屏2的出射光线经过变焦透镜3，通过调整变焦透镜3的焦距，将显示屏2的出射光线折射进入瞳孔61，并在视网膜62上成像，从而产生画面。
显示屏2和变焦透镜3固定在镜框1上，其固定方式可以是直接固定或者间接固定。例如，显示屏2边缘直接固定在镜框1上。或者，在镜框1上固定镜片22，并以微型显示屏幕21作为显示屏2，再将该微型显示屏幕21嵌在该镜片22中。本实施例中采用的是第二种固定方式。
该显示屏2可以是非透明显示屏、半透明显示屏或者是自发光透明显示屏。自发光透明显示屏可以是有源矩阵有机发光二极体面板(AMOLED)透明显示屏，或者透明电致发光(TASEL)显示屏，或者是其它本领域常用的透明显示屏。
变焦透镜3的焦距可调，并采用合适的焦距将来自显示屏2的光线折射到人眼的瞳孔61，并成像在人眼视网膜62上。变焦透镜3可以是 液晶透镜或者是液体透镜，其可以是单片透镜或者多片透镜。变焦透镜的焦距调整通过驱动电压的变化来进行。液体透镜将液体作为透镜，通过改变液体的曲率来改变焦距，通过外加电压改变液滴的形状，进而改变其焦距。本实施例的变焦透镜3为单片液体透镜，其贴合在显示屏2的后侧，即靠近人眼6的一侧。
此外，变焦透镜3也可以是包含多块不同焦距的玻璃镜片组成的透镜组，通过调整选择与使用者的视力匹配的焦距的镜片或者镜片组，从而能使使用者看到清晰的图像，提高使用者的舒适度。
该单目智能眼镜还包括变焦驱动电路，其用于在打开显示屏2使其显示图像时，调整变焦透镜3的焦距使成像在人眼视网膜62上的图像清晰。变焦驱动电路可与一调节装置连接，使用者可以通过对调节装置的操作来调节驱动电压，从而改变变焦透镜的焦距，该调节装置可以是调节轮或者调节按键等本领域常用的装置。
该智能眼镜的镜框1上设置有耳机10、微型摄像头4、耳挂5和镜腿9。本实施例中，除了显示屏2之外的其他的功能模块均内置于镜腿9中，如微处理器、移动通信模块、WIFI、蓝牙和供电模块等。微型摄像头4可以用于拍摄外界景物，再通过显示屏2显示出来。
由于变焦透镜的焦距可调，本发明的变焦头戴设备可以通过调整焦距切换两种成像模式，分别是成像模式一和成像模式二。
请参阅图3和图4，图3为本发明的变焦头戴设备的第一实施例的成像模式一的原理示意图；图4为本发明的变焦头戴设备的第一实施例的成像模式二的原理示意图。
在显示屏显示图像时，显示屏显示的图像尺寸k满足以下条件：
k≤(gd+f-gf)p+ged,]]>
其中，g为显示屏2与变焦透镜3的间距，d为变焦透镜3与人眼瞳孔61的间距，f为变焦透镜3的焦距，p为变焦透镜3的尺寸，e为人眼瞳孔61的大小。
当使用者视力正常或者近视时，调整变焦透镜3的焦距f，使显示屏 2位于变焦透镜3一倍焦距以内，即f＞g；各参数之间满足以下关系：
fgf-g+d>2f′,]]>f′为人眼球焦距。
此时，显示屏2的显示图像在变焦透镜3的物方成放大正立的虚像7，则人眼透过变焦透镜3将看到显示屏2的显示图像放大正立的虚像7。
当使用者视力正常或者远视时，调整变焦透镜3的焦距f，使显示屏2位于变焦透镜4一倍焦距与两倍焦距之间，即1/2g<f<g，各参数之间满足以下关系：
gfg-f-d>t,]]>t为人眼瞳孔和视网膜的间距。
此时，显示屏2的显示图像在变焦透镜4的像方成放大倒立的实像8，该实像8进入人眼瞳孔后成像在视网膜62上，其效果等同于人眼6直接观看到物空间中正立放大的图像。
具体地，调节变焦透镜3的焦距，使显示屏2位于变焦透镜3一倍焦距以内，显示屏2在变焦透镜3的物方成放大正立的虚像7，人眼6透过变焦透镜3观看到显示屏2放大正立的虚像7。
例如，显示屏2的节距k＝10mm，变焦透镜3的尺寸p＝20mm，显示屏2与变焦透镜3的间距g＝5mm，变焦透镜3和瞳孔61的间距d＝8mm，通常瞳孔61大小为e＝4mm，人眼球焦距f′＝17.05mm，瞳孔61和视网膜62的间距t＝24mm。
调节变焦透镜3的焦距f＝5.102mm，则各参数满足关系：f>g,
k≤(gd+f-gf)p+ged,fgf-g+d>2f′.]]>
此时，人眼通过变焦透镜3看到的是显示屏2放大正立的虚像7，如图3所示，该成像模式适用于正常视力或者近视眼群体。
当然，也可以调整变焦透镜3的焦距，使显示屏2位于变焦透镜3一倍焦距与两倍焦距之间，显示屏2在变焦透镜3的像方成放大倒立的实像8，该实像8进入61瞳孔后成像在视网膜62上，其效果等同于人 眼6直接观看到物空间中正立放大的图像。
例如，调节变焦透镜3的焦距f＝4.5mm，则各参数满足关系：1/2g<f<g,
k≤(gd+f-gf)p+ged,gfg-f-d>t.]]>
此时，人眼通过变焦透镜3看到的如同物空间中放大正立的实物8，如图4所示，该成像模式适用于正常视力或者远视眼群体。
区别于现有技术的情况，本发明的变焦头戴设备在显示屏的后侧设置焦距可调的变焦透镜，通过调整该变焦透镜的焦距，使得该变焦头戴设备的成像模式发生改变，一种成像模式是：调整焦距，使显示屏显示的图像位于变焦透镜一倍焦距以内，显示屏显示的图像在变焦透镜的物方成放大正立的虚像，人眼透过变焦透镜将看到显示屏的显示图像放大正立的虚像，从而使近视眼和正常视力的人能看清图像。另一种成像模式是：调整焦距，使显示屏显示的图像位于所述变焦透镜一倍焦距与两倍焦距之间，显示屏的显示图像在变焦透镜的像方成放大倒立的实像，该实像进入人眼瞳孔后成像在视网膜上，其效果等同于人眼直接观看到物空间中正立放大的图像，从而使远视眼和正常视力的人能看清图像。该变焦头戴设备能适用于不同视力的群体，不需要用户另外佩戴眼镜，提高了使用者的舒适度，还能避免对眼睛的伤害。
请参阅图5，图5是本发明的变焦头戴设备的第二实施例的结构示意图。
本实施例中，变焦头戴设备为双目智能眼镜，该双目智能眼镜包括镜框1、显示屏2和变焦透镜3。
显示屏2用于显示图像23，该显示屏2的边缘直接固定在镜框1上。
变焦透镜3的焦距可调，显示屏2的出射光线经过变焦透镜，通过调整变焦透镜3的焦距，将显示屏2的出射光线折射进入瞳孔61，并在视网膜62上成像，从而产生画面。
本实施例的变焦透镜3为矩形的液晶透镜，该变焦透镜3通过调整 驱动电压来调整焦距。变焦透镜3设有两片，每一片对应一只人眼。变焦透镜3贴合在显示屏2的后侧，即靠近人眼6的一侧。
本实施例的双目智能眼镜除了显示屏2之外的其他的功能模块均内置于镜框1和镜腿9中，如微处理器、移动通信模块、WIFI、蓝牙和供电模块等。在显示屏2上还镶嵌有微型摄像头4和距离传感器11，距离传感器11可以用于测出人与微型摄像头4拍摄的物体之间的距离，并通过语音提示该距离。
请参阅图6和图7，图6为本发明的变焦头戴设备的第二实施例的成像模式一的原理示意图；图7为本发明的变焦头戴设备的第二实施例的成像模式二的原理示意图。
调整变焦透镜3的焦距，使显示屏2显示的图像23位于变焦透镜3的一倍焦距以内，显示屏2显示的图像23在变焦透镜3的物方成放大正立的虚像7，人眼6透过变焦透镜3观看到显示屏2显示的图像23的放大正立的虚像7。
例如，变焦透镜3和瞳孔61的间距d＝12mm，为眼镜与人眼6的常规间距，显示屏2显示的图像23区域大小为k＝7.322mm，变焦透镜3尺寸为p＝15mm，显示屏2和变焦透镜3的间距g＝5mm，通常瞳孔61大小为e＝4mm，人眼球焦距f′＝17.05mm，瞳孔61和视网膜62的间距t＝24mm。
调节变焦透镜3的焦距f＝5.15mm，则各参数满足关系：f>g,
k≤(gd+f-gf)p+ged,fgf-g+d>2f′.]]>
此时，人眼通过变焦透镜3看到的是显示屏2放大正立的虚像7，如图6所示，该成像模式适用于正常视力或者近视眼群体。
当然，也可以调整变焦透镜3的焦距，使显示屏2位于变焦透镜3一倍焦距与两倍焦距之间，显示屏2在变焦透镜3的像方成放大倒立的实像8，该实像8进入瞳孔61后成像在视网膜62上，其效果等同于人眼直接观看到物空间中正立放大的图像。
例如，调节变焦透镜3的焦距f＝4.8mm，则各参数满足关系：1/2g<f <g,
k≤(gd+f-gf)p+ged,gfg-f-d>t.]]>
此时，人眼通过变焦透镜3看到的如同物空间中放大正立的实物8，如图7所示，该成像模式适用于正常视力或者远视眼群体。
请参阅图8，图8是本发明的变焦头戴设备的第二实施例进行3D显示的原理示意图。显示屏左图像显示区域显示左视差图像24，右图像显示区域显示右视差图25，经过用户大脑融合产生3D图像26。
本发明的有益效果是：在显示屏的后侧设置焦距可调的变焦透镜，通过调整该变焦透镜的焦距，使得显示屏显示的图像在进入需要矫正视力的人眼之前进行光学处理，从而使需要矫正视力的人眼能看清图像，不需要另外佩戴眼镜，并且提高了使用者的舒适度，还能避免对眼睛的伤害。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。