CN104991340A - 光学放大组合镜、双目头戴式虚拟现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于头戴式虚拟现实显示设备中的光学放大组合镜，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，边缘区域为向人眼内凹的弧面基底的菲涅尔透镜，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，本发明还公开了运用该组合镜的头戴式虚拟现实设备，采用传统透镜与弧面基底的菲涅尔透镜的结合，既能保证中心画质，又同时扩大了人眼的边缘视野。

Description

光学放大组合镜、双目头戴式虚拟现实显示设备

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双目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，边缘区域为向人眼内凹的弧面基底的菲涅尔透镜，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，光学放大组合镜中心区域与边缘区域之间的焦距差小于10毫米。

优选的，边缘区域弧面基底的菲涅尔透镜的曲率半径与中心区域透镜近眼侧光学面的曲率半径一致。

优选的，所述凸透镜表面刻有用于消色差的纹路。

在一实施方式中，光学放大组合镜中心区域和边缘区域为一体注塑成型。

在另一实施方式中，中心区域和边缘区域分别为单独元件，中心区域透镜的边缘轮廓为锥型，边缘凹面菲涅尔透镜的内径形状是与中心区域透镜边缘匹配的锥型，中心区域透镜和边缘区域透镜通过光学胶合或机械组合方式结合在一起。

相应的，本发明还提出一种双目头戴式虚拟现实显示设备，包括图像显示源和左右两组光学放大镜组，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，每组光学放大镜组包括至少一片前述的光学放大组合镜。

相应的，本发明还提出一种双目头戴式虚拟现实显示设备，包括图像显示源和左右两组光学放大镜组，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，每组光学放大镜组包括两片沿光路叠放的组合镜，每片组合镜由中心区域和边缘区域构成，中心区域为凸透镜或组合凸透镜，边缘区域为向人眼内凹的弧面基底的菲涅尔透镜，中心区域对应主视场成像，边缘区域对应边缘视场成像，两组合镜的中心区域透镜的组合焦距与两合镜边缘区域的组合焦距差小于10毫米。

优选的，每片组合镜外边缘与其对应人眼中心点的连线，与该眼中心视线夹角范围为70度～100度。

一种实施方式中，每片组合镜的中心区域和边缘区域分别为单独元件，中心区域透镜的边缘轮廓为锥型，边缘凹面菲涅尔透镜的内径形状是与中心区域透镜边缘匹配的锥型，中心区域透镜和边缘区域透镜通过光学胶合或机械组合方式结合在一起。在该实施方式中，优选每片组合镜边缘区域弧面基底的菲涅尔透镜的曲率半径与中心区域透镜近眼侧光学面的曲率半径一致。

在另一种实施方式中，每片组合镜的中心区域和边缘区域为一体注塑成型，其边缘区域弧面基底的菲涅尔透镜的曲率半径与中心区域透镜近眼侧光学面的曲率半径一致。

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，采用传统透镜与弧面基底的菲涅尔透镜的结合，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(能让用户感觉屏幕无边界)，增强了使用者的沉浸感；另外由于弧面基底的菲涅尔透镜的使用，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(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3为双目头戴式虚拟现实显示设备的一种光学系统结构示意图；

图4为双目头戴式虚拟现实显示设备的另一种光学系统结构示意图；

图5为组合镜外边缘与其对应人眼中心点的连线，与该眼中心视线夹角示意图；

图6(a)为中心区域透镜边缘轮廓为圆形时，图像显示源发出的光线经两组合镜的成像光路图；

图6(b)为中心区域透镜边缘轮廓为锥型时，图像显示源发出的光线经两组合镜的成像光路图；

图7(a)为组合镜2和3的中心区域结构标注示意图；

图7(b)为组合镜2和3的边缘区域结构标注示意图。

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。

参见图1，为本发明实施例光学放大组合镜的一种结构示意图，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为向人眼内凹的弧面基底的菲涅尔透镜。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，由于边缘区域为向人眼内凹的弧面基底的菲涅尔透镜，可以增加人眼的边缘视野甚至覆盖人眼具有的动视野范围，极大的扩大了近眼显示的可视区域，增强了沉浸感。

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。

本发明实施例中，光学放大组合镜边缘区域B的外围轮廓形状不限，可依据需要任意设计边缘区域的外围轮廓形状，图1中示意出的光学放大组合镜边缘区域的外围轮廓形状为矩形，该示意图不构成对边缘区域外围轮廓形状的限制。

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。

常规由于光学放大组合镜中心区域A和边缘区域B边界存在矢高差，会有一道明显拼接线，该拼接线会对视觉效应产生影响为了解决这一问题，在一种实施例中，将边缘区域弧面基底的菲涅尔透镜的曲率半径与中心区域透镜近眼侧光学面的曲率半径设计为一致，使二者在近眼侧处于同一个曲面上，减弱拼接线视觉效果。

本发明实施例光学放大组合镜的中心区域和边缘区域为可以为一体注塑成型，也可以分别为单独元件，通过光学胶合或机械组合方式结合在一起。当中心区域和边缘区域分别为单独原件时，可以将中心区域透镜的边缘轮廓设计为锥型，边缘凹面菲涅尔透镜的内径形状设计为与中心区域透镜边缘匹配的锥型，中心区域透镜和边缘区域透镜，从人眼视觉角度看，锥形的边界轮廓可最大程度的削弱主、附镜边界到来的视觉干扰。

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2(a)或图2(b)的形式在光路图中示意。

本发明实施例光学放大组合镜主要为头戴式虚拟现实显示设备设计，利用本发明光学放大组合镜的双目头戴式虚拟现实显示设备，包括图像显示源和左右两组光学放大镜组，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，每组光学放大镜组包括至少一片本发明实施例所述的光学放大组合镜。下面结合图3～图7介绍采用上述实施例光学放大组合镜所设计的双目头戴式虚拟现实显示设备的实施例。

参见图3，为双目头戴式虚拟现实显示设备的一种光学系统结构示意图，包括图像显示源1，左右两组光学放大镜组均由一片本发明实施例所述的光学放大组合镜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。图像显示源1可以是平面屏，也可以是弧面屏，优选弧面屏。图像显示源1可以是左右各一块屏，也可以是一块整屏分左右两部分显示。

参见图4，为双目头戴式虚拟现实显示设备的另一种光学系统结构示意图，包括左右图像显示源11和12和左右两组光学放大镜组，每组光学放大镜组包括两片沿光路叠放的组合镜21和31(本实施例所述的组合镜即前述实施例所述的光学放大组合镜)，组合镜21和31均由中心区域和边缘区域构成，中心区域为凸透镜或组合凸透镜，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；边缘区域为向人眼内凹的弧面基底的菲涅尔透镜，中心区域对应主视场成像，边缘区域对应边缘视场成像，两组合镜的中心区域透镜的组合焦距与两合镜边缘区域的组合焦距差小于10毫米。本发明实施例双目头戴式虚拟现实显示设备，采用两组组合镜可以使得中心区域凸透镜组合后的透镜组的光学物方主面与光学像方主面的位置和边缘区域弧面基底菲涅尔透镜组合后的透镜组的光学物方主面和光学像方主面的位置基本一致；同时中心凸透镜组合后的透镜组的焦距与边缘区域弧面基底菲涅尔透镜组合后的透镜组的焦距相当(两者之差不超过10mm)，如此可确保图像显示源经中心凸透镜和边缘弧面基底菲涅尔透镜投影放大后显示图像投影距离和显示尺寸相当。

两组组合镜的边缘区域采用弧面基底的菲涅尔透镜，弧面凹向朝向人眼并在一定程度上覆盖人眼的视域范围；头部不动，眼球转动，人眼的水平视域范围参考下图，单眼的水平视野范围约在94°～104°，因人而稍有差异。因此，每片组合镜外边缘与其对应人眼中心点的连线，与该眼中心视线夹角β(如图5中的夹角β)的范围设置为70度～100度，可基本覆盖人眼视野，特别是当该夹角范围设置为90°～100°时，可完全覆盖人眼视野。图5中，OLK直线为左眼组合镜外边缘与左眼中心点的连线，OLC为左眼中心视线，β为这两条直线的夹角。

图4中，组合镜2、3的中心区域和边缘区域可以为一体注塑成型；也可以分别为单独元件，通过光学胶合或机械组合方式结合在一起。当组合镜2、3的中心区域和边缘区域分别为单独原件时，中心区域透镜的边缘轮廓优选为锥型，边缘凹面菲涅尔透镜的内径形状也为锥型，与中心区域透镜边缘匹配。从人眼视觉角度看，锥形的边界轮廓可最大程度的削弱中心区域与边缘区域交接边界带来的视觉干扰，另一方面可最大化利用主、附镜的口径，提高光的透过率，如图6(a)、图6(b)。图6(a)为中心区域透镜边缘轮廓为圆形时，图像显示源发出的光线经两组合镜的成像光路图；图6(b)为中心区域透镜边缘轮廓为锥型时，图像显示源发出的光线经两组合镜的成像光路图，从这两个图可以清楚的发现，中心区域透镜边缘轮廓为锥型时，交接边界视觉干扰明显较小。

在图4实施例中，不管组合镜中心区域和边缘区域是一体注塑成型，还是两个单独原件胶合而成，为了进一步解决中心区域和边缘区域拼接线问题，均可将组合镜边缘区域弧面基底的菲涅尔透镜的曲率半径与中心区域透镜近眼侧光学面的曲率半径设计为一致。

在图4实施例中，若图像显示源采用2块5英寸1080pLCD显示屏作为图像显示的载体(如图4中的图像显示源11和12)，则双目可达到1920*1080像素的分辨率。组合镜2和3中心区域结构标注图参见图7(a),边缘区域标注参见图7(b)。当组合镜2的结构参数满足表1，组合镜3的结构参数满足表2，且组合镜2和组合镜3中心区域透镜的组合透镜的焦距为40.8mm，边缘菲涅尔透镜的组合焦距为43mm时，通过组合中心区域观察到的投影画面的水平显示视角约为90度，通过组合边缘菲涅尔透镜可视的投影画面的水平显示视角约为176度。

其中，表1和表2中α表示：中心区域透镜锥型边缘的倾斜度，即锥型边缘与中心区域透镜光轴线的夹角。

表1：

表2：

本发明光学放大组合镜，采用传统透镜与弧面基底的菲涅尔透镜的结合，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(能让用户感觉屏幕无边界)，增强了使用者的沉浸感；另外由于弧面基底的菲涅尔透镜的使用，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。

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，边缘区域为向人眼内凹的弧面基底的菲涅尔透镜，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，中心区域与边缘区域之间的焦距差小于10毫米。

3.如权利要求3所述的光学放大组合镜，其特征在于，边缘区域弧面基底的菲涅尔透镜的曲率半径与中心区域透镜近眼侧光学面的曲率半径一致。

4.如权利要求3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至4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。

6.如权利要求1至4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，中心区域透镜的边缘轮廓为锥型，边缘凹面菲涅尔透镜的内径形状是与中心区域透镜边缘匹配的锥型，中心区域透镜和边缘区域透镜通过光学胶合或机械组合方式结合在一起。

7.双目头戴式虚拟现实显示设备，包括图像显示源和左右两组光学放大镜组，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，每组光学放大镜组包括至少一片权利要求1至6任一项所述的光学放大组合镜。

8.双目头戴式虚拟现实显示设备，包括图像显示源和左右两组光学放大镜组，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：每组光学放大镜组包括两片沿光路叠放的组合镜，每片组合镜由中心区域和边缘区域构成，中心区域为凸透镜或组合凸透镜，边缘区域为向人眼内凹的弧面基底的菲涅尔透镜，中心区域对应主视场成像，边缘区域对应边缘视场成像，两组合镜的中心区域透镜的组合焦距与两合镜边缘区域的组合焦距差小于10毫米。

9.如权利要求8所述的双目头戴式虚拟现实显示设备，其特征在于，每片组合镜外边缘与其对应人眼中心点的连线，与该眼中心视线夹角范围为70度～100度。

10.如权利要求9或10所述的双目头戴式虚拟现实显示设备，其特征在于，每片组合镜的中心区域和边缘区域分别为单独元件，中心区域透镜的边缘轮廓为锥型，边缘凹面菲涅尔透镜的内径形状是与中心区域透镜边缘匹配的锥型，中心区域透镜和边缘区域透镜通过光学胶合或机械组合方式结合在一起。

11.如权利要求10所述的双目头戴式虚拟现实显示设备，其特征在于，每片组合镜边缘区域弧面基底的菲涅尔透镜的曲率半径与中心区域透镜近眼侧光学面的曲率半径一致。

12.如权利要求9或10所述的双目头戴式虚拟现实显示设备，其特征在于，每片组合镜的中心区域和边缘区域为一体注塑成型，其边缘区域弧面基底的菲涅尔透镜的曲率半径与中心区域透镜近眼侧光学面的曲率半径一致。