CN104749762A - 光学放大组合镜、头戴显示光学系统及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学放大组合镜，包括中心区域和边缘区域，中心区域为凸透镜或组合凸透镜，边缘区域为聚焦薄型光学元件，中心区域对应主视场成像，边缘区域对应边缘视场成像。相应的，本发明还公开应用该光学放大组合镜的头戴显示光学系统和头戴式虚拟现实显示设备。本发明光学放大组合镜，采用传统透镜与聚焦薄型光学元件的结合，运用于头戴式虚拟现实显示设备上，既能保证中心画质，又同时扩大了人眼的边缘视野，增强了使用者的沉浸感；另外由于聚焦薄型光学元件的使用，很大程度上减小了头戴式虚拟现实显示设备的重量，减轻了重量对佩戴造成的不适感。

Description

光学放大组合镜、头戴显示光学系统及设备

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及应用于头戴显示设备上的光学放大组合镜，以及带有该光学放大组合镜的头戴显示光学系统和头戴式虚拟现实显示设备。

背景技术

目前头戴式虚拟现实显示系统的光学放大元件均采用传统透镜，如球面透镜、非球面透镜或自由曲面光学透镜，受光学加工技术及光学材料的限制，显示系统中的光学放大镜组的口径通常会做得比较小(若口径做大光学系统的重量和体积均会大幅增加)，使用者通过光学放大镜组所能观察到的视野被放大镜组的口径限制，放大镜组的视野相对人眼自然状态下的视野显得很小，故此视野受限的图像显示系统给人眼带来的视觉冲击及沉浸感将会受到很大的影响。在保证头戴设备体积足够小、重量足够轻的前提下，如何实现头戴式虚拟现实显示系统大视场成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学放大组合镜，以及带有该光学放大组合镜的头戴显示光学系统和头戴式虚拟现实显示设备，解决现有头戴式虚拟现实显示系统使用传统透镜导致的视野与产品体积和重量不可兼顾的问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种光学放大组合镜，在头戴式虚拟现实显示设备中使用，所述光学放大组合镜包括中心区域和边缘区域，中心区域为凸透镜或组合凸透镜，边缘区域为聚焦薄型光学元件，中心区域对应主视场成像，边缘区域对应边缘视场成像。

优选的，所述凸透镜为球面透镜或非球面透镜或自由曲面光学透镜；所述聚焦薄型光学元件为菲涅尔透镜或菲涅尔波带片或二元光学元件。

优选的，所述光学放大组合镜具有一个中心区域，或左右对称的两个中心区域。

在一实施方式中，所述中心区域为非球面透镜；所述边缘区域为平面基底菲涅尔透镜，其一面为光面，另一面刻有同心锯齿圆环。

在一实施方式中，所述凸透镜表面刻有用于消色差的纹路。

在一实施方式中，所述中心区域与边缘区域之间的焦距差小于10毫米。

在一实施方式中，所述中心区域和边缘区域为一体注塑成型。

在一实施方式中，所述中心区域和边缘区域分别为单独元件，边缘区域元件的镂空区域轮廓形状与中心区域元件的外围轮廓形状一致，且能紧密配合；中心区域元件和边缘区域元件通过光学胶合或机械组合方式结合在一起。

相应的，本发明还提供一种头戴显示光学系统，包括图像显示源和光学放大镜组，图像显示源显示的光信息，经光学放大镜组放大后的投影虚像由人眼接收，其特征在于，光学放大镜组包括至少一片上述的光学放大组合镜。

在一实施方式中，所述光学放大镜组还包括一片或多片聚焦薄型光学元件，聚焦薄型光学元件位于光学放大组合镜远离人眼一端，图像显示源显示的光信息先经过聚焦薄型光学元件，再经光学放大组合镜射入人眼。

在另一实施方式中，所述光学放大镜组还包括一片或多片凸透镜，凸透镜位于光学放大组合镜远离人眼一端，图像显示源显示的光信息先经过凸透镜，再经光学放大组合镜射入人眼。

相应的，本发明还提供一种头戴式虚拟现实显示设备，包括一组和或两组上述的头戴显示光学系统。

优选的，当所述头戴式虚拟现实显示设备为双目头戴式虚拟现实显示设备时，其两组头戴显示光学系统中的部分光学元件为左右一体成型。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明光学放大组合镜，采用传统透镜与聚焦薄型光学元件的结合，运用于头戴式虚拟现实显示设备上，既能保证中心画质，又同时扩大了人眼的边缘视野，增强了使用者的沉浸感；另外由于聚焦薄型光学元件的使用，很大程度上减小了头戴式虚拟现实显示设备的重量，减轻了重量对佩戴造成的不适感。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明实施例光学放大组合镜的一种结构示意图；

图2为图1光学放大组合镜的一种结构分解图；

图3(a)、(b)、(c)分别为图1光学放大时组合镜的左视图、俯视图和主视图的示意图；

图4(a)、(b)为本发明实施例光学放大组合镜边缘区域的两种外形轮廓示意图；

图5为本发明实施例光学放大组合镜的另一种结构示意图；

图6(a)、(b)均为本发明实施例光学放大组合镜在光路图中的元件示意图；

图7为本发明头戴显示光学系统实施例1结构示意图；

图8为图7和图12中光学放大组合镜中心区域和边缘区域的光学参数标注示意图；

图9为本发明头戴显示光学系统实施例2结构示意图；

图10为本发明头戴显示光学系统实施例3结构示意图；

图11为图10中光学放大组合镜中心区域和边缘区域的光学参数标注示意图；

图12为本发明头戴显示光学系统实施例4结构示意图；

图13为图12中凸透镜4的参数标注示意图；

图14为本发明头戴显示光学系统实施例5结构示意图；

图中标记：A-光学放大组合镜的中心区域，B-光学放大组合镜的边缘区域1-图像显示源，2-光学放大组合镜，3-聚焦薄型光学元件，4-凸透镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明光学放大组合镜主要针对头戴式VR显示系统设计，VR指虚拟现实，是Virtual Reality的简称。

下面结合图1～图4介绍本发明实施例光学放大组合镜的一种结构，图1～图4介绍的光学放大组合镜结构为单目结构。本实施例光学放大组合镜包括中心区域A和边缘区域B两部分，边缘区域B的内径与中心区域A的外径紧密配合。中心区域A为凸透镜(单凸或双凸)或组合凸透镜，所述凸透镜为传统球面透镜、非球面透镜或自由曲面光学透镜；所述组合凸透镜指至少两块凸透镜组合在一起形成一个透镜组，例如两块口径一致的圆形的非球面透镜胶合在一起形成组合凸透镜；边缘区域B为聚焦薄型光学元件(有聚焦功能的薄片型光学元件)，所述聚焦薄型光学元件包括菲涅尔透镜、菲涅尔波带片和二元光学元件。中心区域A对应主视场成像，具有优质的画质；边缘区域B对应边缘视场成像，可有效扩大VR显示系统的周边视野。

本发明实施例中，光学放大组合镜中心区域A的外围轮廓形状不限，可以是圆形的，也可以是矩形或其它非规则形状，边缘区域B的镂空区域轮廓形状与区域A的外围轮廓形状一致，并能紧密配合；边缘区域B外围轮廓形状不限，根据其应用环境可任意调整，边缘区域B形状如图4(a)和图4(b)均可。

本发明实施例中，中心区域A和边缘区域B的材质可以是相同的，如都是光学塑料PMMA，也可以是不同的，如区域A材质为光学塑料PMMA，区域B的材质为E48R。

将本发明实施例光学放大组合镜运用到头戴式VR设备上时，在不采用特定补偿光学元件的情况下，需要光学放大组合镜中心区域A与边缘区域B之间的焦距相当，本处焦距相当可理解为焦距接近，可定义为二者焦距差在10毫米以内。

在一种实施例中，所述光学放大组合镜的中心区域为非球面透镜，边缘区域为平面基底菲涅尔透镜，其一面为光面，另一面刻有同心锯齿圆环，该类光学放大组合镜安装于头戴式VR显示设备上时，优选光面面对人眼。

在一种实施例中，光学放大组合镜的凸透镜表面刻有用于消色差的纹路，也就是说，光学放大组合镜的中心区域A可以为折衍混合消色差透镜。

本发明一些实施例中，光学放大组合镜为一体注塑成型，也就是说中心区域和边缘区域注塑成一体。

在另一些实施例中，光学放大组合镜中心区域A和边缘区域B分别为单独光学元件，如图2，边缘区域B元件的镂空区域轮廓形状与中心区域A元件的外围轮廓形状一致，且能紧密配合；中心区域元件和边缘区域元件通过光学胶合或机械组合方式结合在一起。

头戴式VR显示设备分单目和双目两种，图1～图4介绍光学放大组合镜只具有一个中心区域，既适用于单目，又适用于双目。从光路上来说，双目头戴式VR显示设备需配备两套光学系统，分别对应于左右眼；从实物结构上来说，双目头戴式VR显示设备需配备的两套光学系统中，部分左右对称的光学元件，从制造工艺和安装方便的角度考虑，可以一体成型，如光学放大组合镜、图像显示源。在双目头戴式VR显示设备的瞳间距不需要做调整操作的情况下，左右光学放大组合镜可以设计为一体注塑成型，即光学放大组合镜设计为具有左右对称的两个中心区域，如图5。

由于本发明实施例光学放大组合镜为非标准透镜，在本说明书附图中，将其以图6(a)或图6(b)的形式在光路图中示意。

上面介绍了本发明实施例光学放大组合镜的结构，下面介绍应用所述光学放大组合镜的头戴显示光学系统结构。

本发明实施例头戴显示光学系统包括图像显示源和光学放大镜组，光学放大镜组包括至少一片上述的光学放大组合镜，图像显示源显示的光信息经光学放大镜组放大后的投影虚像由人眼接收。图像显示源可以为单独显示屏,也可以为移动终端显示屏。

在一些实施例中，所述光学放大镜组还包括一片或多片聚焦薄型光学元件，聚焦薄型光学元件位于光学放大组合镜远离人眼一端，图像显示源显示的光信息先经过聚焦薄型光学元件，再经光学放大组合镜射入人眼。

在另一些实施例中，所述光学放大镜组还包括一片或多片凸透镜，凸透镜位于光学放大组合镜远离人眼一端，图像显示源显示的光信息先经过凸透镜，再经光学放大组合镜射入人眼。同样，此处的凸透镜可以为传统球面、非球面、自由曲面光学透镜及这些传统透镜的组合镜。

下面结合图7～图14介绍本发明头戴显示光学系统的部分实施例，图7～图14均以双目头戴显示光学系统为例，单目光学系统只需要选用双目光学系统的一侧即可，不单独进行介绍。

头戴显示光学系统实施例1：

参见图7，为双目头戴显示光学系统结构示意图，包括左右眼共用的图像显示源1(图像显示源1可以为一块大屏分左右屏显示,也可以为分开的左右两块小屏)和左右两组光学放大镜组，每组光学放大镜组由一片光学放大组合镜2构成，图像显示源1显示的光信息，经光学放大组合镜2放大后的投影虚像由人眼接收。在本实施例中，光学放大组合镜2的中心透镜部分(中心区域A)由两块口径一致的圆形的非球面透镜胶合而成，也就是说主镜21中心区域A为组合凸透镜；边缘区域B为中心镂空的平面基底菲涅尔透镜，一面为光面，一面刻有同心锯齿圆环，其外形轮廓参见图4(a)。光学放大组合镜2的中心透镜部分与边缘菲涅尔透镜部分的结构标注如图8所示，其各自的参数可参考表1，边缘菲涅尔透镜部分的内边缘与中心透镜部分的外边缘通过采用光学胶胶合方式组成一体镜。

本实施例中，在光学放大组合镜2满足表1参数时，中心区域A和边缘区域B两部分透镜的焦距均为30mm时(此时光学放大镜组的总焦距30mm)，当图像显示源1为6英寸屏幕时，该头戴显示光学系统的双目水平视场约为106度，对角视场约152度。

表1

头戴显示光学系统实施例2：

参见图9，本实施例头戴显示光学系统具有一图像显示源1和左右两组光学放大镜组，每组光学放大镜组由一片光学放大组合镜2和两片聚焦薄片型光学元件3组成,两片聚焦薄片型光学元件3位于光学放大组合镜2与图像显示源1之间,每组光学放大镜组中的两片聚焦薄片型光学元件3可以为一片平面基底菲涅尔透镜和一片弧面基底菲涅尔透镜。图像显示源1显示的光信息先经过聚焦薄型光学元件3，再经光学放大组合镜2射入人眼

头戴显示光学系统实施例3：

参见图10，本实施例头戴显示光学系统具有一图像显示源1和左右两组光学放大镜组，每组光学放大镜组由一片光学放大组合镜2和一片聚焦薄型光学元件3(本实施例选用平面基底菲涅尔透镜)组成，图像显示源1显示的光信息先经过聚焦薄型光学元件3，再经光学放大组合镜2射入人眼。在本实施例中，光学放大组合镜2的中心区域A为一圆形的非球面透镜，边缘区域B为中心镂空的菲涅尔透镜，光学放大组合镜2的中心透镜部分与边缘菲涅尔透镜部分的结构标注如图11所示，其各自的参数可参考表2。本实施例中，在光学放大组合镜2满足表2参数时，其中心区域A和边缘区域B两部分透镜的焦距均为60mm，当图像显示源1为6英寸屏幕，菲涅尔透镜3的焦距为55mm时，此时光学放大镜组的总焦距约为29mm，该光学系统的双目水平视场约为110度，对角视场约160度。

表2：

头戴显示光学系统实施例4：

参见图12，本实施例头戴显示光学系统具有一图像显示源1和左右两组光学放大镜组，每组光学放大镜组由一片光学放大组合镜2和一片凸透镜4组成，图像显示源1显示的光信息先经过凸透镜4，再经光学放大组合镜2射入人眼。在本实施例中，光学放大组合镜2的中心区域A为一圆形的非球面透镜，边缘区域B为中心镂空的平面基底菲涅尔透镜，光学放大组合镜2的中心透镜部分与边缘菲涅尔透镜部分的结构标注如图11所示，其各自的参数可参考表3；凸透镜4为非球面双凸透镜，其结构标注如图13所示，其参数可参考表4。本实施例中，在光学放大组合镜2满足表3参数且凸透镜4满足表3参数时，光学放大镜组的总焦距约为33.5mm(光学放大组合镜2的中心区域部分透镜焦距45.95、边缘区域部分透镜46mm，凸透镜焦距104.3mm)，当图像显示源1为6英寸屏幕时，可计算获得该光学系统的双目水平视场约为90度，对角视场约126度。

表3：

表4：

头戴显示光学系统实施例5：

参见图14，本实施例头戴显示光学系统具有一图像显示源1和左右两组光学放大镜组，每组光学放大镜组由两片光学放大组合镜纵向叠放而成。图像显示源1显示的光信息先经过第一光学放大组合镜，再经第二光学放大组合镜射入人眼。

为了满足某些特定需求，上述各实施例头戴显示光学系统中的光学元件均可以选择性的增镀增透膜，加硬膜，防雾膜等功能性膜层。

在上述头戴显示光学系统的实施例中，如图7至图14，左右光学放大镜组均为独立元件，在双目头戴式VR显示设备的瞳间距不需要做调整操作的情况下，左右光学放大组合镜可以设计为一体注塑成型，如图5。

本发明还提供了一种头戴式虚拟现实显示设备，该头戴式虚拟现实显示设备可以为单目式，也可以为双目式，其光学系统采用的为包含本发明光学放大组合镜的光学系统，双目式光学系统可参见图7至图14。

本发明采用一种特制的光学放大组合镜，可极大的扩大图像显示系统的视野。将其应用于双目式头戴虚拟现实显示设备中时，在设备图像显示源左右分屏显示带有相差的图像时，更可让使用者真实地体验到立体视觉带来的巨大冲击和极致震撼的效果。

本发明克服了单用传统透镜(球面、非球面或自由曲面)作为头戴显示设备放大镜组时，因透镜口径小限制显示系统视野，削弱了给人眼带来的沉浸感，重量大，佩戴不舒服等问题；本发明所述的聚焦薄型光学元件包括菲涅尔透镜，菲涅尔波带片、二元元件等具有聚焦功能的薄片型光学元件，这些元件重量轻，但成像质量略差，将其与传统透镜向组合，即保证了中心画质，又扩大了人眼的边缘视野，增强了使用者的沉浸感，同时由于聚焦薄型光学元件的使用，很大程度上减小了系统的重量，减轻了重量对头戴显示设备佩戴造成的不适感。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (12)

1.一种光学放大组合镜，在头戴式虚拟现实显示设备中使用，其特征在于，所述光学放大组合镜包括中心区域和边缘区域，中心区域为凸透镜或组合凸透镜，边缘区域为聚焦薄型光学元件，中心区域对应主视场成像，边缘区域对应边缘视场成像。

2.如权利要求1所述的光学放大组合镜，其特征在于，所述凸透镜为球面透镜或非球面透镜或自由曲面光学透镜；所述聚焦薄型光学元件为菲涅尔透镜或菲涅尔波带片或二元光学元件。

3.如权利要求2所述的光学放大组合镜，其特征在于，所述中心区域为非球面透镜；所述边缘区域为平面基底菲涅尔透镜，其一面为光面，另一面刻有同心锯齿圆环。

4.如权利要求2所述的光学放大组合镜，其特征在于，所述凸透镜表面刻有用于消色差的纹路。

5.如权利要求2所述的光学放大组合镜，其特征在于，中心区域与边缘区域之间的焦距差小于10毫米。

6.如权利要求2所述的光学放大组合镜，其特征在于，所述光学放大组合镜具有一个中心区域，或左右对称的两个中心区域。

7.如权利要求2至6任一项所述的光学放大组合镜，其特征在于，中心区域和边缘区域为一体注塑成型。

8.如权利要求2至6任一项所述的光学放大组合镜，其特征在于，中心区域和边缘区域分别为单独元件，边缘区域元件的镂空区域轮廓形状与中心区域元件的外围轮廓形状一致，且能紧密配合；中心区域元件和边缘区域元件通过光学胶合或机械组合方式结合在一起。

9.头戴显示光学系统，包括图像显示源和光学放大镜组，图像显示源显示的光信息，经光学放大镜组放大后的投影虚像由人眼接收，其特征在于，光学放大镜组包括至少一片权利要求1至8任一项所述的光学放大组合镜。

10.如权利要求9所述的头戴显示光学系统，其特征在于，所述光学放大镜组还包括一片或多片聚焦薄型光学元件，聚焦薄型光学元件位于光学放大组合镜远离人眼一端，图像显示源显示的光信息先经过聚焦薄型光学元件，再经光学放大组合镜射入人眼。

11.如权利要求9所述的头戴显示光学系统，其特征在于，所述光学放大镜组还包括一片或多片凸透镜，凸透镜位于光学放大组合镜远离人眼一端，图像显示源显示的光信息先经过凸透镜，再经光学放大组合镜射入人眼。

12.头戴式虚拟现实显示设备，其特征在于，所述头戴式虚拟现实显示设备包括一组和或两组权利要求9至11任一项所述的头戴显示光学系统。