CN106199972A - 一种用于观察大尺寸屏幕3d显示的头戴式光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，其包括：对应每个眼瞳的3D成像模块，每个所述3D成像模块包括光路转折模块和画面放大模块，用于将所述大尺寸屏幕的画面进行放大后进入眼瞳。本发明的头戴式光学系统，结合光路转折模块和画面放大模块，使左右两侧的眼瞳中心可以同时看到大尺寸屏幕的画面，让观察者左右眼看到的画面可以完全重合，体验高清3D视觉效果。

Description

一种用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统

技术领域

本发明涉及一种头戴式光学系统，尤其是一种用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统。

背景技术

头戴式虚拟现实显示器最初主要是应用于军事上的(如头盔瞄准具、军事训练模拟器)。由于3D显示技术(包括3D电影、3D游戏)、以及虚拟现实(VR)、增强现实(AR)技术的发展，头戴式虚拟现实显示器越来越得到普及。目前的头戴式虚拟现实显示器处于爆发式发展的状态，未来在智能家庭3C融合大发展[即计算机(Computer)、通讯(Communication)和消费类电子产品(Consumer Electrics)的融合，所有的家用电器都可以通过智能手机的应用程序来控制]的情况下其将获得更加迅猛的发展。

所述的头戴式虚拟现实显示器，其3D显示的原理如图1所示，显示器的屏幕显示分隔成左侧子屏幕A和右侧子屏幕B，分别显示左眼视角和右眼视角的画面；目镜组C采用1片至多片镜片组成，将左右子屏幕的画面进行放大；眼瞳通过目镜组C直接观察左右侧子屏幕中的显示的画面；由于左右子屏幕具有视角的区别，左右子屏幕的画面，在人脑中重叠后，形成一副效果逼真的虚拟的立体图像。

目前，现有技术的大部分的头戴式虚拟现实显示器，其显示面板为微显示器，又称为微型平面面板(Miniature Flat Panel)，所示的微显示器，其可以为LCD(液晶显示屏)、LCOS(硅基液晶顯示屏)、OLED(有机发光二极管)、或者MEMS(微电子机械系统)，其根据微显示屏本身的尺寸来定义，即将微显示器定义为对角线尺寸小于3英寸(7.62厘米)的平面显示器。

随着智能手机的普及，目前绝大多数的智能手机也支持3D视频、图像的播放，但是如果直接用手机作为观看3D视频的显示平台，由于手机的屏幕较小，3D效果不好，戴着3D眼镜在智能手机上观看3D视频时间长了会造成视力的损害，以及会导致头晕、眼花、恶心等不良效果。并且，就现有市场上所出现的基于手机屏幕的头戴立体观影设备，在3D分屏显示时，技术上所能达到的显示效果最大值的也仅是手机分辨率的一半，例如手机屏幕是1080P，所达到的分屏3D显示效果最大值也仅为540P，即用户的3D高清视频体验效果将大打折扣。同时，由于手机屏幕尺寸本身的局限性，手机在3D分屏显示16∶9双画面时，必然手机屏幕的利用率比较低，手机中的双屏显示的影视画面也比较小，其也将直接导致3D观影过程中虚拟画面相对较小，沉浸感低等不足之处。

随着科技的发展，3D技术也离大众越来越近，下仅Ipad(平板电脑)、手提电脑、台式机电脑具备3D播放功能，电影院可以观看3D电影，连电视频道具备3D频道。由于这些电子产品配备较大尺寸的屏幕，其分辨率也可以做得非常高，双屏显示的影视画面也比较大，其导致3D观影过程中虚拟影像十分逼真，人体感官的沉浸感非常强烈。但由于这些大尺寸的显示器，分隔成左侧子屏幕和右侧子屏幕之后，由于两个子屏幕中心的间隔距离非常宽，其远远大于眼瞳的距离。如果简单地在眼瞳前面佩戴两组目镜，分别直接观察这两个子屏幕，由于一般成年人的眼瞳距只有54--68mm，目镜所观察的位置将不是两个子屏幕的中心，导致两幅子屏幕的画面中心下能重合，下能产生完整的3D虚拟的效果。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，通过佩戴该光学系统，提高对大尺寸屏幕3D显示观看的完整性、清晰度和舒适度。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，其包括：对应每个眼瞳的3D成像模块，每个所述3D成像模块包括光路转折模块和画面放大模块，用于将所述大尺寸屏幕的画面进行放大后进入眼瞳。

优选地：所述大尺寸屏幕包括左右两侧在同一平面上布置的两个子屏幕，所述光路转折模块包括偏折棱镜或折转反射镜组，所述画面放大模块包括目镜组，所述目镜组为消色差目镜组，所述眼瞳到其最接近的镜片之间的距离为10～18mm。

优选地：所述消色差目镜组包括两片PC凹透镜和一片PMMA凸透镜；或者，包括两片PC凹透镜和一片PMMA菲涅尔透镜，所述PMMA菲涅尔透镜包括平面基板和形成在平面基板上的环纹锯齿，所述环纹锯齿为将凸透镜沿水平方向等间隔分割，去掉厚度，剩余的环纹状锯齿按照原始顺序排列在平面基板上形成；或者，包括一片PC凹透镜和一片二元光学PMMA凸透镜，所述二元光学PMMA凸透镜的凸面设置消色差二元光学表面，消色差二元光学表面为波长级的微结构，用来产生附加的与色差相反的相位，起到消色差作用。

优选地：所述偏折棱镜的折射面由外侧朝向两眼瞳中心的内侧倾斜，所述偏折棱镜的的楔角α为：

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\[\frac{n-sin\mathrm{\θ}}{cos\mathrm{\θ}}\]$

其中，n为偏折棱镜的折射率，D为左右两低子屏幕中心距离，d为眼瞳距，F_b为光学系统后截距。

较佳地，所述偏折棱镜的倾斜折射面位非对称的自由曲面。

优选地：所述偏折棱镜为直纹菲涅尔透镜，直纹菲涅尔透镜上每个齿的斜面由外侧朝向两眼瞳中心的内侧倾斜，每个齿的斜面的倾斜角度α相等，为：

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\[\frac{n-sin\mathrm{\θ}}{cos\mathrm{\θ}}\]$

其中，n为偏折棱镜的折射率，D为左右两侧子屏幕中心距离，d为眼瞳距，F_b为光学系统后截距。

优选地：所述偏折棱镜靠近所述眼瞳，所述消色差目镜组靠近所述大尺寸屏幕；或者所述偏折棱镜靠近所述大尺寸屏幕，所述消色差目镜组靠近所述眼瞳。

优选地：所述折转反射镜组包括两片倾斜45°设置的平面反射镜，第一反射镜正对子屏幕中心的正下方，第二反射镜正对目镜组正上方；从大尺寸屏幕射出的光束，先经过第一反射镜转折90度，光轴变成水平方向，再经过第二反射镜进行再次转折，光轴变成竖直方向，光束进入到位于人眼前方的目镜组中，经目镜组放大之后，最后进入到眼瞳中。

优选地：所述光路转折模块和画面放大模块合二为一，由自由曲面反射镜组实现光路转折和画面放大；所述自由曲面反射镜组包括两片离轴的第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜，所述第一自由曲面反射镜为凹面的双锥度系数曲面反射镜，其X和Y方向具有不同的曲率半径及锥度系数，所述第二自由曲面反射镜为凸面的双锥度系数曲面反射镜，其X和Y方向具有不同的曲率半径及锥度系数；从大尺寸屏幕射出的光束，先经过第一自由曲面反射镜转折90度，光轴变成水平方向，同时光束进行缩小，再经过第二自由曲面反射镜进行再次转折，光轴变成竖直方向，同时光束进一步调整发散，最后进入到眼瞳中。

优选地：所述大尺寸屏幕包括左右两侧不在同一平面上的两个子屏幕，两个子屏幕均朝向观察者倾斜；所述光路转折模块包括顿斜布置的直纹菲涅尔透镜，直纹菲涅尔透镜上每个齿的斜面由外侧朝向两眼瞳中心的内侧倾斜；所述画面放大模块包括倾斜布置的目镜组，所述目镜组为消色差目镜组，包括两片PC凹透镜和一片PMMA凸透镜；直纹菲涅尔透镜的倾斜角度和目镜组的顿斜角度以满足屏幕画面偏转的方向与人眼成像的方向相同。

优选地：所述大尺寸屏幕为位于一个圆弧面上的连续的弯曲屏幕，所述光路转折模块包括直纹菲涅尔透镜或弧形偏折棱镜，所述直纹菲涅尔透镜上每个齿的斜面的倾斜度由外侧朝向两眼瞳中心的内侧逐渐减小，所述弧形偏折棱镜上表面为凹弧面，其厚度由外侧向内侧逐渐减小；所述画面放大模块包括倾斜布置的目镜组，所述目镜组为消色差目镜组，包括两片PC凹透镜和一片PMMA凸透镜。

优选地：所述大尺寸屏幕为一个连续的平面屏幕，所述光路转折模块与所述大尺寸屏幕之间中心位置设置有成像透镜组，成像透镜组对大尺寸屏幕的画面进行共同成像，成像透镜组后面设置光路转折模块的偏振分光棱镜，偏振分光棱镜将成像透镜组摄取的图像根据P光和S光进行分光，其中P光透过偏振分光棱镜，通过目镜组成像到左侧的人眼中，S光被偏振分光棱镜全反射，反射后住右侧转折，再通过光路转折模块的转折棱镜转折90度后，最后通过目镜组进入到右侧人眼中进行成像，实现3D影像的观看；所述目镜组包括一片凹透镜和一片凸透镜。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明的用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，通过光路转折和图像放大功能，使观察者左右两侧的眼瞳中心可以同时看到大尺寸屏幕左右两侧的子屏幕中心，让观察者左右眼看到的画面可以完全重合，体验高清3D视觉效果。

附图说明

图1为现有技术中3D显示观看的原理图。

图2为本发明实施例1的剖面图。

图3为本发明实施例1的光路图。

图4为本发明实施例1中偏折棱镜的偏光原理图。

图5为本发明实施例1光学系统的点列图。

图6为本发明实施例1光学系统的调制传递函数。

图7为本发明实施例1左右两侧光学系统的图像模拟图。

图8为本发明实施例2的剖面图。

图9为本发明实施例2的光路图。

图10为本发明实施例3的剖面图。

图11为本发明实施例3的光路图。

图12为本发明实施例3中环纹菲涅尔透镜323上表面的轮廓线图。

图13为本发明实施例4的剖面图。

图14为本发明实施例4的光路图。

图15为本发明实施例5的剖面图。

图16为本发明实施例5的光路图。

图17为本发明实施例6的剖面图。

图18为本发明实施例6的光路图。

图19为本发明实施例7的剖面图。

图20为本发明实施例7的光路图。

图21为本发明实施例7中消色差二元光学透镜722上表面的微结构轮廓图。

图22为本发明实施例7中采用消色差二元光学透镜722后的点列图。

图23为本发明实施例8的剖面图。

图24为本发明实施例8的光路图。

图25为本发明实施例9的剖面图。

图26为本发明实施例9的光路图。

图27为本发明实施例10的光路图。

图28为本发明实施例10的光学系统的局部放大图。

图29为本发明实施例11的光路图。

图30为本发明实施例11的光学系统的局部放大图。

图31为本发明实施例11光学系统的局部放大图，所述的用于偏折光路、及矫正像面场曲的另一种结构示意图。

图32为本发明实施例12的光路图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种同于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，所述的头戴式光学系统结合光路转折模块和画面放大模块，使左右两侧的眼瞳中心可以同时看到大尺寸屏幕的画面，让观察者左右眼看到的画面可以完全重合，体验高清3D视觉效果。

实施例1

本实施例头戴式光学系统的结构剖面图如图2所示，其光路图如图3所示。头戴式光学系统由眼瞳11、目镜组12、偏折棱镜13、以及显示屏14组成。所述眼瞳11，正常人的眼瞳大小白天的时候为2～4mm，夜晚的时候为5～7mm，其随着光线的强弱缩小和放大，本实施例优选其直径为4mm。所述眼瞳11，其到第一片镜片的距离为10～18mm，本实施例优选其为10mm。所述显示屏14，本实施例优选其为对角线为32英寸的显示屏，其由左右两侧的子屏幕组成，每个子屏幕对角线的长度为400mm(即像圆半径为200mm)，其显示波长为460nm、550nm、520nm；其到最后一片偏折棱镜13的距离为400～700mm，其可以通过调节目镜组12的第二片或第三片镜片的距离进行对焦。所述目镜组12，本实施例采用消色差设计，其由两片PC凹透镜、一片PMMA凸透镜组成，所有透镜的直径在51mm以内。

图4为本实施例所述偏折棱镜13的偏光原理图。假设左右两侧子屏幕中心距离为D，眼瞳距为d，光学系统后截距(最后一片偏折棱镜13距离屏幕的距离)为F_b，棱镜的楔角为α，从目镜组竖直入射的光线V’O，经过偏转棱镜的斜面133之后，住厚度较厚的方向偏折，假设偏折光线OT与竖直线V’V的夹角为θ，那么有：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\[\frac{(D-d)/2}{F_b}\]---\left(1\right)$

另外根据图中三角函数的关系和斯涅尔折射定律sin(α+θ)＝n sina，可以得出：

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\[\frac{n-\sin \mathrm{\θ}}{cos\mathrm{\θ}}\]---\left(2\right)$

根据偏折棱镜的折射率n，左右两侧子屏幕中心距离为D，眼瞳距为d，光学系统后截距F_b，利用公式(1)和(2)可以计算出偏折棱镜的楔角α。

本实施例头戴式光学系统的点列图、调制传递函数、和图像模拟图分别如图5、图6、和图7所示。可以看出：由于棱镜的折射面133是顿斜的，其会造成一定程度的象散，点列图图5中的光点被压扁变成了椭圆形，另外调制传递函数图6中的子午方向T的传递函数曲线也有一定程度的降低，下过图像模拟图图7中的观察效果还是比较清楚。

矫正象散的方法是可以将棱镜的倾斜折射面133设置成非对称的自由曲面，其可以将椭圆光点代化成圆形的光点、进一步缩小光点、以及增加子午方向的调制传递函数。

实施例2

本实施例头戴式光学系统的剖面图如图8所示，其光路图如图9所述。其眼瞳11的位置、目镜组12的构成、以及显示屏14的距离与尺寸与实施例1中的完全一致，只是将实施例1中偏折棱镜13变成了直纹菲涅尔透镜23。

所述的眼瞳11，本实施例优选其直径为4mm。所述的眼瞳11到第一片镜片的距离，本实施例代选其为10mm。所述的显示屏14，本实施例优选其为32英寸的显示屏，其由左右两侧的子屏幕组成，每个子屏幕对角线的长度为400mm(即像圆半径为200mm)，其显示波长为460nm、550nm、520nm；其到最后一片偏折棱镜13的距离为400～700mm，其可以通过调节目镜组12的第二片或第三片的距离进行对焦。所述的目镜组12，本实施例采同消色差设计，其由两片PC凹透镜，一片PMMA凸透镜组成，所有透镜的直径在51mm以内，可借鉴实施例1目镜组。

所述的直纹菲涅尔透镜23，其每个齿的斜面与实施例1中偏折棱镜13的斜面133的倾斜角度一样，其原理为将实施例1中偏折棱镜13的斜面133等分成许多小段，分别排列在一片等厚的基板上，去掉中间较厚的玻璃材料。这种做法既可以保证光线的偏折方向不变，又可以将透镜做得相对比较薄。

实施例3

本实施例头戴式光学系统中，其目镜组中较厚的凸透镜可以改为厚度较薄的环纹菲涅尔透镜，在保证光焦度的同时减少目镜组的厚度。本实施例光学系统剖面图如图10所示，其光路图如图11所述，其由眼瞳11、目镜组32、偏折棱镜33以及显示屏组成。

所述的眼瞳11，本实施例优选其直径为4mm。所述的眼瞳11到第一片镜片的距离，本实施例优选其为10mm。所述的显示屏，本实施例优选其为32英寸的显示屏，其由左右两侧的子屏幕组成，每个子屏幕对角线的长度为400mm(即像圆半径为200mm)，其显示波长为460nm、550nm、520nm；其到最后一片偏折棱镜33的距离为400～700mm，其可以通过调节目镜组32的第二片或第三片镜片的距离进行对焦。所述的目镜组32，本实施例采用消包差透镜组、再加环纹菲涅尔透镜的方法设计，其由两片PC凹透镜，一片PMMA菲涅尔透镜组成，两片PC凹透镜321和322产生的色差由后面菲涅尔透镜323所产生的色差补偿，所有透镜的直径在51mm以内。

所述的环纹菲涅尔透镜323，其上表面的轮廓线图如图12所示。其原理为将实施例1和2目镜组中凸透镜的凸面沿水平方向等间隔分割成许多小段(Zones)，分别排列在一片较薄的平面基板(profile)上，去掉中间较厚的玻璃材料，最后形成环纹锯齿状的分布。这种做法既可以保证光线的会聚，又可以将透镜做得相对比较薄。本实施例优选该Zones的曲率半径为-30mm，锥度系数k＝-1.2，4次项非球面系数Z₄＝-4.713415e-006。Zones的曲率半径、锥度系数以及非球面系数可以根据根据光学系统的焦距长短、视角大小、以及其他特征优化，可以有任意不同的结果。

实施例4

对于有些人，其左右眼睛可以同时住不同方向的左右两侧看，这时左右两侧的目镜可以倾斜放置，直接对准左右两侧的子屏幕中心，不需要偏折光线的棱镜及反射镜。本实施例头戴式光学系统，其剖面图如图13所示，其光路图如图14所示。其目镜组为向左右倾斜16°放置，直接对准左右两侧子屏幕的中心。左右子屏幕的画面，在人脑中重叠后，也可以形成一副效果逼真的虚拟的立体图像。

本实施例中，其目镜组由两片PC的凹透镜421、422、以及一片PMMA的菲涅尔聚光透镜423组成，形成一个消色差目镜系统，菲涅尔聚光透镜423的结构同实施例3中的环纹菲涅尔透镜323。其光轴与竖直方向倾斜16°放置，左右眼目镜组的光轴分别对准左右两侧的子屏幕中心。没有设置偏折棱镜。

本实施例的缺点为，这种结构与大部分人眼睛的观察习惯不一致(大部分人眼习惯于住同一个方向观察物体)，观看时间长了会导致眼睛的损伤。

实施例5

本实施例头戴式光学系统，其偏折棱镜可以设置于目镜组前面，本实施例的剖面图如图15所示、光路图如图16所示。其先采用一片偏折棱镜52，其将进过眼瞳中心的竖直方向的光轴OV进行一个角度的偏折，偏折后光轴的方向为朝着左右子屏幕中心的方向，进过偏折棱镜，偏折后的光轴为VT。后继的目镜组53，沿着光轴VT放置，以子屏幕的中心点为轴心将画面进行放大。

所述的偏折棱镜52，其偏折角与实施例1中所述偏折棱镜13的偏折角α相同。所述的目镜组53，其采用3片式的消色差设计，同实施例1，其可以为球面、非球面透镜。

实施例6

本发明实施例头戴式光学系统，其用于偏折光路的直纹菲涅尔透镜可以设置于目镜组前面，本实施例的剖面图如图17所示，光路图如图18所示。其先采用一片直纹菲涅尔透镜62，其将进过眼瞳中心的竖直方向的光轴OV进行一个角度的偏折，偏折后光轴的方向为朝着左右子屏幕中心的方向，进过偏折棱镜，偏折后的光轴为VT。后继的目镜组63，沿着光轴VT放置，以子屏幕的中心点为轴心将画面进行放大。

所述的用于偏折光路的直纹菲涅尔透镜62，其锯齿面的倾斜角与实施例2中所述用于偏折光路的直纹菲涅尔透镜23锯齿面的顿斜角相同。所述的目镜组63，其采用3片式的消色差设计，其可以为球面、非球面透镜。

实施例7

本实施例头戴式光学系统，其目镜组可以采用消色差的二元光学镜片，以减少镜片的数量，镜片的数量可以减少成两片甚至一片。本实施例7提出一种采用二元光学镜片的目镜组，其由一片PC材料的凹透镜721以及一片PMMA材料的凸透镜722组成。所述的凸透镜722，其为二元光学(衍射光学)镜片，其上表面的凸面设置有具有消色差功能的二元光学表面，其为波长级别的微结构，用来产生附加的与色差相反的相位，起到消色差作用。

本实施例剖面图如图19所示，其光路图如图20所示。所述的消包差二元光学透镜722，其上表面的微结构轮廓图如图21所示。图中上边的曲线为凸面的轮廓线，下边的曲面为相位矫正的曲线。将相位矫正曲线等分成波长级别的等矢高的锯齿形，锯齿台阶的高度为SetpHt＝1.1303um(D光波长的两倍)，图中从下往上第二个锯齿形图为位相的微结构图；最下方的锯齿形图为将位相微结构附加于凸透镜表面之后的图。

图22为本实施例所述的目镜组72中，采用二元光学镜片后的点列图，可以看出光点中红绿蓝的部分都重合在了一起，而且点列图中每个光点的大小都缩小了很多，可以使分辨率有较大的提高。

实施例8

本实施例头戴式光学系统，其与目镜组相结合的光路偏折结构也可以采用平面反射镜的方式来实现。本实施例提出了采用两片转折反射镜来代替上述实施例中的偏折棱镜，实现光路的转折，使左右两侧的人眼可以观察到左右子屏幕的中心。

本实施例的剖面图如图23所示，其光路图如图24所示。本实施例光学系统中设置有两片倾斜45度的反射镜83和85，反射镜85正对子屏幕中心的正下方，高度可以调整，反射镜83正对目镜的正上方，高度与反射镜85相同。其他尺寸可以根据设计调整，只要下挡住光线。从显示屏14射出的光束，先经过反射镜85转折90度，光轴变成水平方向，再经过反射镜83进行再次转折，光轴变成竖直方向，光束进入到位于人眼前方的目镜组82中，经目镜组82放大之后，最后进入到眼瞳11中。

本实施例所述的反射镜83和85，其为平面反射镜，只起到转折光线的作用，无会聚和发散作用。

实施例9

本实施例头戴式光学系统，其目镜组及光路偏折结构也可以完全采用自由曲面反射镜的方式来实现，其目镜组可以全部撤销。原有目镜组中凹凸透镜的光焦度设置在离轴的自由曲面反射镜上，同时实现光路转折及图像放大的作用。本实施例提出一种采用两片离轴的自由曲面反射镜的结构来代替实施例8中的偏折棱镜和目镜组，其除了实现光路的转折、使左右两侧的人眼可以观察到左右子屏幕的中心之外，还同时起到放大图像的作用。

本实施例的剖面图如图25所示，其光路图如图26所示。本实施例光学系统中没有设置镜片，只有两片离轴的自由曲面反射镜92和93，从显示屏14射出的光束，先经过离轴的自由曲面反射镜93转折90度，光轴变成水平方向，同时光束进行缩小，再经过自由曲面反射镜92进行再次转折，光轴变成竖直方向，同时光束作进一步调整、稍微发散，最后进入到眼瞳11中。

所述的离轴的自由曲面反射镜93，其为凹面的双锥度系数曲面反射镜，其X和Y方向具有下同的曲率半径及锥度系数，其将光线在X和Y方向进行不同程度的会聚，其功能相当于实施例8中的转折平面反射镜加凸透镜。所述的离轴的自由曲面反射镜92，其为凸面的双锥度系数曲面反射镜，其X和Y方向具有不同的曲率半径及锥度系数，其将光线在X和Y方向进行不同程度的发散，其功能相当于实施例8中的转折平面反射镜加凹透镜。

实施例10

本实施例头戴式光学系统，其用于偏折光线的棱镜或菲涅耳状直纹透镜，设置在目镜组的前方或后方，并可以结合倾斜的屏幕(八字状设置)来进行设置。采用此类结构的头戴式光学系统，所述的屏幕，其除了采用大尺寸屏幕之外，也可以适用于采用小尺寸微显示屏的头戴式VR，使头戴式VR的外形呈腰梯形状，实行ID外形多样化，体积小型化。

本实施例提出一种屏幕倾斜设置的3D显示的头戴式光学系统，其屏幕为八字状设置，两侧的子屏幕分别向左右各旋转了一个角度。根据左右子屏幕103的中心位置以及目镜组101焦距的大小，可以确定菲涅尔透镜102锯齿斜面的角度。另外左右两侧的菲涅尔透镜102和目镜组101也需要旋转一个角度，使屏幕画面偏转的方向与人眼成像的方向相同。图27为本实施例的光路示意图。图28为本实施例的局部放大图。

实施例11

本实施例头戴式光学系统，其用于偏折光线的棱镜或菲涅耳状直纹透镜，设置在目镜组的前方或后方，并可以结合弧形状的屏幕来进行设置。采用此类结构的头戴式光学系统，所述的屏幕，其除了采用大尺寸屏幕之外，也可以适用于采用小尺寸微显示屏的头戴式VR，这种结构可以使头戴式VR的外形呈弧形或等腰梯形状，实行ID外形多样化，体积小型化。

本实施例提出一种屏幕为弯曲设置的3D显示的头戴式光学系统，两侧的子屏幕113设置在一个圆弧面上。

所述的左右两侧的子屏幕113，除了像面中心位置需要与目瞳中心通过偏折光路进行匹配之外，由于子屏幕为弯曲设置在一个弧面上，像面位置引进了场曲。因而，所述的菲涅尔透镜112，其需要通过设置一个锯齿斜面渐变的菲涅尔面来同时进行光路偏折及场曲的矫正。其光路示意图如图29所示，其光学系统的局部放大图如图30所示，可以清楚地看到菲涅尔透镜112，其靠近内侧的锯齿斜面比较平，而外侧的锯齿斜面比较陡峭。

本实施例所述的用于进行光路的偏折、以及矫正像面场曲，其另一种结构如图31所示，这里采用一块弧形的棱镜来代替上述锯齿斜面渐变的菲涅尔透镜，其上表面为凹的弧面，外侧较高，内侧较平，即弧形棱镜的厚度由外侧至内侧逐渐减小，且减小的幅度由大到小，其同样可以做到进行光路偏折以及矫正像面场曲的作用。

实施例12

本实施例头戴式光学系统的另一种结构，可以采用同一个屏幕共同显示左右眼视角的画面，不进行左右分屏，左右眼的画面分别同相互垂直90°的偏振光进行显示。在目镜组中采用偏正分光棱镜对屏幕上的画面进行分光，然后通过左右两侧的目镜进入到左右眼中进行观察。

本实施例头戴式光学系统，其剖面图如图32所示。其观看的是看单个屏幕125上的3D图像(可以为大尺寸显示屏幕，也可以为小尺寸屏幕的头戴式VR应同)，3D图像用相互垂直90°的P光和S偏振光显示。在中心位置设置一个成像透镜组124(称之为中心成像镜组)，先对屏幕的画面进行共同成像，成像透镜组后面设置一个偏振分光棱镜122，将中心成像镜组摄取的图像根据P光和S光进行分光，其中P光透过偏振分光棱镜122，直接通过目镜组121成像到左侧的人眼中。S光则被偏振分光棱镜122全反射，反射后往右侧转折，再通过转折棱镜123转折90度后，最后通过目镜组121b进入到右侧人眼中进行成像，实现3D影像的观看。

由于经过偏振分光棱镜122后，左右眼光路的光程差不一至，本实施例需要对左右眼的目镜组121及121b分别优化设计，才能实现清晰成像。

综上所述，本发明所述的一种同于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，通过结合光路转折和画面放大两种功能，使左右两侧的眼瞳中心可以同时看到大尺寸屏幕的画面，让观察者左右眼看到的画面可以完全重合，体验高清3D视觉效果。进一步地，同时具有偏折棱镜或菲涅耳直纹透镜作为光路偏折模块，设置在目镜组的前方或后方，这种结构同样也可以应用于小型屏幕的头戴式VR应用，如常见的放入手机的VR盒应用，或内置式Display结构的VR应用。

Claims (12)

1.一种用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，其特征在于，包括：对应每个眼瞳的3D成像模块，每个所述3D成像模块包括光路转折模块和画面放大模块，用于将所述大尺寸屏幕的画面进行放大后进入眼瞳。

2.如权利要求1所述的用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，其特征在于：所述大尺寸屏幕包括左右两侧在同一平面上布置的两个子屏幕，所述光路转折模块包括偏折棱镜或折转反射镜组，所述画面放大模块包括目镜组，所述目镜组为消色差目镜组，所述眼瞳到其最接近的镜片之间的距离为10～18mm。

3.如权利要求2所述的用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，其特征在于：所述消色差目镜组包括两片PC凹透镜和一片PMMA凸透镜；或者，包括两片PC凹透镜和一片PMMA菲涅尔透镜，所述PMMA菲涅尔透镜包括平面基板和形成在平面基板上的环纹锯齿，所述环纹锯齿为将凸透镜沿水平方向等间隔分割，去掉厚度，剩余的环纹状锯齿按照原始顺序排列在平面基板上形成；或者，包括一片PC凹透镜和一片二元光学PMMA凸透镜，所述二元光学PMMA凸透镜的凸面设置消色差二元光学表面，消色差二元光学表面为波长级的微结构，用来产生附加的与色差相反的相位，起到消色差作用。

4.如权利要求3所述的用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，其特征在于：所述偏折棱镜的折射面由外侧朝向两眼瞳中心的内侧倾斜，所述偏折棱镜的的楔角α为：

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\[\frac{n-sin\mathrm{\θ}}{cos\mathrm{\θ}}\]$

其中，n为偏折棱镜的折射率，D为左右两侧子屏幕中心距离，d为眼瞳距，F_b为光学系统后截距。

5.如权利要求4所述的用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，其特征在于：所述偏折棱镜的倾斜折射面位非对称的自由曲面。

6.如权利要求3所述的用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，其特征在于：所述偏折棱镜为直纹菲涅尔透镜，直纹菲涅尔透镜上每个齿的斜面由外侧朝向两眼瞳中心的内侧倾斜，每个齿的斜面的倾斜角度α相等，为：

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\[\frac{n-sin\mathrm{\θ}}{cos\mathrm{\θ}}\]$

其中，n为偏折棱镜的折射率，D为左右两侧子屏幕中心距离，d为眼瞳距，F_b为光学系统后截距。

7.如权利要求4或6所述的用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，其特征在于：所述偏折棱镜靠近所述眼瞳，所述消色差目镜组靠近所述大尺寸屏幕；或者所述偏折棱镜靠近所述大尺寸屏幕，所述消色差目镜组靠近所述眼瞳。

8.如权利要求3所述的用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，其特征在于：所述折转反射镜组包括两片倾斜45°设置的平面反射镜，第一反射镜正对子屏幕中心的正下方，第二反射镜正对目镜组正上方；从大尺寸屏幕射出的光束，先经过第一反射镜转折90度，光轴变成水平方向，再经过第二反射镜进行再次转折，光轴变成竖直方向，光束进入到位于人眼前方的目镜组中，经目镜组放大之后，最后进入到眼瞳中。

9.如权利要求1所述的用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，其特征在于：所述光路转折模块和画面放大模块合二为一，由自由曲面反射镜组实现光路转折和画面放大；所述自由曲面反射镜组包括两片离轴的第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜，所述第一自由曲面反射镜为凹面的双锥度系数曲面反射镜，其X和Y方向具有不同的曲率半径及锥度系数，所述第二自由曲面反射镜为凸面的双锥度系数曲面反射镜，其X和Y方向具有不同的曲率半径及锥度系数；从大尺寸屏幕射出的光束，先经过第一自由曲面反射镜转折90度，光轴变成水平方向，同时光束进行缩小，再经过第二自由曲面反射镜进行再次转折，光轴变成竖直方向，同时光束进一步调整发散，最后进入到眼瞳中。

10.如权利要求1所述的用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，其特征在于：所述大尺寸屏幕包括左右两侧不在同一平面上的两个子屏幕，两个子屏幕均朝向观察者倾斜；所述光路转折模块包括倾斜布置的直纹菲涅尔透镜，直纹菲涅尔透镜上每个齿的斜面由外侧朝向两眼瞳中心的内侧倾斜；所述画面放大模块包括倾斜布置的目镜组，所述目镜组为消色差目镜组，包括两片PC凹透镜和一片PMMA凸透镜；直纹菲涅尔透镜的倾斜角度和目镜组的倾斜角度以满足屏幕画面偏转的方向与人眼成像的方向相同。

11.如权利要求1所述的用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，其特征在于：所述大尺寸屏幕为位于一个圆弧面上的连续的弯曲屏幕，所述光路转折模块包括直纹菲涅尔透镜或弧形偏折棱镜，所述直纹菲涅尔透镜上每个齿的斜面的倾斜度由外侧朝向两眼瞳中心的内侧逐渐减小，所述弧形偏折棱镜上表面为凹弧面，其厚度由外侧向内侧逐渐减小；所述画面放大模块包括倾斜布置的目镜组，所述目镜组为消色差目镜组，包括两片PC凹透镜和一片PMMA凸透镜。

12.如权利要求1所述的用于观察大尺寸屏幕3D显示的头戴式光学系统，其特征在于：所述大尺寸屏幕为一个连续的平面屏幕，所述光路转折模块与所述大尺寸屏幕之间中心位置设置有成像透镜组，成像透镜组对大尺寸屏幕的画面进行共同成像，成像透镜组后面设置光路转折模块的偏振分光棱镜，偏振分光棱镜将成像透镜组摄取的图像根据P光和S光进行分光，其中P光透过偏振分光棱镜，通过目镜组成像到左侧的人眼中，S光被偏振分光棱镜全反射，反射后住右侧转折，再通过光路转折模块的转折棱镜转折90度后，最后通过目镜组进入到右侧人眼中进行成像，实现3D影像的观看；所述目镜组包括一片凹透镜和一片凸透镜。