CN106226906A - 一种图像显示装置及头戴式显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像显示装置及头戴式显示设备，依次同轴设置的第一光学器件、第二光学器件和显示屏；第一光学器件包括第一正透镜单元，第一正透镜单元靠近显示屏一侧为第一凹面，第一凹面上设置功能膜，功能膜用于将入射至第一凹面的光部分透射部分反射；第二光学器件至少包括一个反射镜，反射镜的中心设置有通光孔，使得来自显示屏的图像光透射到第一凹面，反射镜朝向第一光学器件的一面为第二凹面；第一凹面与第二凹面相对设置，且第一凹面的曲率小于第二凹面的曲率，第二凹面上设置反射膜，反射膜用于将从第一凹面上反射至第二凹面上的部分光线反射回第一凹面。第一凹面与第二凹面的组合使用，使得上述图像显示装置结构紧凑、轻量化。

Description

一种图像显示装置及头戴式显示设备

技术领域

本发明实施例涉及显示技术领域，尤其涉及一种图像显示装置及头戴式显示设备。

背景技术

头戴式虚拟现实显示设备利用头盔显示器将人跟外界的视觉听觉封闭，引导用户产生一种身临其境的感觉。其显示原理是人的左右眼分别观看各自的图像，然后在大脑中将具有视差的图像进行合成，产生立体感觉，如身在其中。现有头盔中包含普通的显示屏，在显示屏和人眼之间还包括光学透镜，利用光学透镜对显示屏显示的图像进行成像，将显示屏显示的图像进行拉远放大，这样带给用户的理想的效果是人眼前面全部是图像信息，环绕整个视野。

头戴式显示设备的分辨率太低容易造成用户的视疲劳，为了使头戴式显示设备具有较高的透明度和较大的视场角，目前头戴式显示设备内配置的光学透镜大多体积较大，导致头戴式显示设备较重。另一方面，为了提高用户的高清体验，现有的头盔显示器向着超小型高分辨率的方向发展，但是显示器的小型化无疑大大增加了光学系统的设计难度。

因此，现有技术中亟需一种结构紧凑、轻量化的小型显示装置，来进一步提升用户的VR体验。

发明内容

本发明实施例提供一种图像显示装置及头戴式显示设备，以得到结构紧凑、轻量化的小型高分辨率的头戴式显示设备。

本发明实施例一种图像显示装置，包括：

沿同一光轴依次设置的第一光学器件、第二光学器件和显示屏；

所述第一光学器件包括第一正透镜单元，所述第一正透镜单元靠近所述显示屏一侧为第一凹面，所述第一凹面上设置功能膜，所述功能膜用于将入射至所述第一凹面的光部分透射部分反射；

所述第二光学器件至少包括一个反射镜，所述反射镜的中心设置有通光孔，使得来自所述显示屏的图像光透射到所述第一凹面；所述反射镜朝向所述第一光学器件的一侧为第二凹面，所述第一凹面与所述第二凹面相对设置，且所述第一凹面的曲率小于所述第二凹面的曲率，所述第二凹面上设置反射膜，所述反射膜用于将从所述第一凹面反射至所述第二凹面上的光线反射回所述第一凹面。

进一步地，所述第一正透镜单元为单一的正透镜；

所述正透镜为第一正透镜，所述第一正透镜远离所述显示屏一侧为凸面，所述第一正透镜朝向所述显示屏一侧为所述第一凹面，所述第一凹面上设置的所述功能膜为半透半反介质膜。

进一步地，所述反射镜的中心设置有通光孔；

所述第二光学器件还包括第二正透镜单元，所述第二正透镜单元沿光轴设置在所述通光孔处，或者沿光轴设置在所述通光孔的两侧。

进一步地，所述第二正透镜单元为单一的非球面凸透镜。

进一步地，所述第二正透镜单元为三胶合透镜；

所述三胶合透镜从所述显示屏侧到所述第一光学器件侧依次包括：双凹透镜、双凸透镜和凸凹透镜；或者，

所述三胶合透镜从所述显示屏侧到所述第一光学器件侧依次包括双凹透镜、双凸透镜和双凹透镜。

进一步地，所述第二正透镜单元是由多个透镜组合而成的正透镜组，所述正透镜组从所述显示屏侧到所述第一光学器件侧依次包括：

一个双凹透镜和一个双凸透镜；或者，

一个平凹透镜和一个双凸透镜。

进一步地，从所述显示屏发出的光，透过所述第二正透镜单元所成的像，位于所述第一正透镜的焦点处。

进一步地，所述第一凹面的曲率半径，大于所述第一凹面与所述第二凹面的中心间距。

进一步地，所述第二凹面为自由曲面、非球面或者球面。

本发明实施例提供一种头戴式显示设备，包括上述实施例中的任一图像显示装置。

上述图像显示装置中，第一光学器件的第一凹面上设置功能膜，将入射至第一凹面的光部分透射部分反射，第二光学器件的第二凹面上设置有反射膜，因第一凹面和第二凹面相对设置，第一凹面的曲率小于所述第二凹面的曲率，反射膜能够将从第一凹面上反射的部分光线反射回第一正透镜单元，并改变反射光线的方向，使反射光线朝向第一光学器件的内侧靠拢，进而可以校正视场边缘图像的色差，在相同视场角下，就可以将第一光学器件的尺寸减小，进一步实现整个图像显示装置的结构紧凑和轻量化。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1至图5为本发明实施例提供的一种图像显示装置的结构示意图；

图6和图7为本发明实施例提供的一种图像显示装置的光路示意图；

图8为本发明实施例提供的一种第二光学器件的第二正透镜单元的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案以及有效果更加清楚明白，以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本发明实施例提供的一种图像显示装置，如图1所示，包括：依次同轴设置的第一光学器件、第二光学器件和显示屏；

第一光学器件包括第一正透镜单元，第一正透镜单元靠近显示屏一侧为第一凹面，第一凹面上设置有功能膜，功能膜用于将入射至第一凹面的光部分透射部分反射；

第二光学器件至少包括一个反射镜，反射镜的中心设置有通光孔，使得来自显示屏的图像光透射到第一凹面；反射镜朝向第一光学器件的一面为第二凹面；第一凹面与第二凹面相对设置，且第一凹面的曲率小于第二凹面的曲率，第二凹面上设置反射膜，反射膜用于将从第一凹面反射至第二凹面上的光线反射回第一凹面。

上述图像显示装置中，为保证整体体积的轻量化，同时具有较好的光学效果，第一凹面的曲率半径，大于第一凹面与第二凹面的中心间距。

上述图像显示装置中，第二凹面为自由曲面、非球面或者球面。

上述图像显示装置中，第一正透镜单元可以是单独的正透镜，也可以是多个透镜构成的透镜组。

上述图像显示装置中，反射镜上的反射膜可以是铝箔等金属膜，反射材料为镀银反射膜或其他金属介质反射膜。

上述功能膜的透射率与反射率之比满足设定条件，如透射率为60％，反射率为40％，或者透射率为40％，反射率为60％。上述胶合面(S7)的透射率与反射率可以相等，透射率与反射率之比也可以取其他值，如4:3等。功能膜的透射率与反射率之比满足的设定条件也可以是其他值，使得在功能膜表面发生反射的反射光和在功能膜表面发生透射的透射光的比例相当。

优选实施例中，第一凹面上设置的功能膜为半透半反膜，其中，半透半反射介质膜为氧化锆和/或氧化硅。半透半反射介质膜的反射率和透过率为1:1，用于将入射到第一凹面的光线一半发生反射，一半发生透射。

为了校正从显示屏发出的图像光的色差和减小第一正透镜单元的体积，需要在第一正透镜单元和显示屏之间增加一个小焦距的透镜，用来与第一正透镜单元配合来调整图像显示装置中光学透镜系统的整体焦距。

优选实施例中，第二光学器件还包括第二正透镜单元，第二正透镜单元沿光轴设置在反射镜的通光孔，使得来自显示屏的图像光透射到第二正透镜单元，或者沿光轴设置在通光孔的两侧，使得来自显示屏的图像光通过反射镜的通光孔透射到第二正透镜单元上，或者来自显示屏的图像光先透射到第二正透镜单元上，然后通过反射镜的通光孔透射到第一正透镜单元的第一凹面上。

其中，第二正透镜单元可以是单一的透镜，也可以是由多个透镜构成的透镜组，第二正透镜单元的光焦度为正，第二正透镜单元的焦距满足：从显示屏发出的光，透过第二正透镜单元所成的像，位于第一正透镜的焦点处，使得从第二正透镜单元透射到第一正透镜单元的第一凹面上的光透过第一正透镜单元后以平行光的方式出射进入人眼。

因PMMA(Polymethyl Methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)具有易加工，密度仅为常用玻璃的一半的特点，为保证上述图像显示装置的结构紧凑，缩小体积，同时减轻重量，本发明实施例的第一正透镜单元和第二正透镜单元包括的透镜可由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，俗称有机玻璃)制成。

第一光学器件与第二光学器件之间的区域为通光区域，进入通光区域的一部分光在第一凹面处发生透射，另一部分光在第一凹面处发生反射，发生反射的光透过通光区域，并在第二凹面处再次发生反射，从第二凹面反射至第一凹面的光朝向第一凹面的中心区域偏移。

上述图像显示装置中，第一光学器件的第一凹面上设置功能膜，将入射至第一凹面的光部分透射部分反射，第二光学器件的第二凹面上设置有反射膜，因第一凹面和第二凹面相对设置，第一凹面的曲率小于第二凹面的曲率，反射膜能够将从第一凹面上反射的部分光线反射回第一正透镜单元，并改变反射光线的方向，使反射光线朝向第一光学器件的内侧靠拢，进而可以校正视场边缘图像的色差，在相同视场角下，就可以将第一光学器件的尺寸减小，进一步实现整个图像显示装置的结构紧凑和轻量化。

实施例2

基于上述图像显示装置，本发明实施例提供以下几种优选实施例。

本发明实施例提供一种如图2所示的图像显示装置，包括：依次同轴设置的第一正透镜1、反射镜2和显示屏4；

第一正透镜11远离显示屏4一侧为凸面，第一正透镜1朝向显示屏4一侧为第一凹面，第一凹面上设置的功能膜为半透半反介质膜，半透半反介质膜用于将入射至第一凹面的光部分透射部分反射；

反射镜的中心设置有通光孔，使得来自显示屏的图像光透射到第一凹面；反射镜2朝向第一光学器件的一面为第二凹面；第一凹面与第二凹面相对设置，且第一凹面的曲率小于第二凹面的曲率，第二凹面上设置反射膜，反射膜用于将从第一凹面反射至第二凹面上的光线反射回第一凹面。

上述图像显示装置中，第一正透镜1的第一凹面上设置的半透半反膜，将入射至第一凹面的一半光发生透射，一半光发生反射，反射镜2的第二凹面上设置有反射膜，因第一凹面和第二凹面相对设置，第一凹面的曲率小于第二凹面的曲率，反射膜能够将从第一凹面上反射的部分光线反射回第一正透镜1，并改变反射光线的方向，使反射光线朝向第一正透镜1的内侧靠拢，进而可以校正视场边缘图像的色差，在相同视场角下，就可以将第一光学器件的尺寸减小，进一步实现整个图像显示装置的结构紧凑和轻量化。

实施例3

本发明实施例提供的一种图像显示装置如图3所示，包括：同轴设置的第一正透镜1、反射镜2、第二正透镜3和显示屏4。其中，反射镜2的中心设置有通光孔；第二正透镜3，设置在反射镜中心的通光孔处。

其中，第一正透镜1为凸凹正透镜，第一正透镜1远离显示屏一侧为一个凸面，第一正透镜1朝向显示屏4一侧为第一凹面，第一凹面上设置的功能膜为半透半反介质膜。其中，半透半反射介质膜为氧化锆和/或氧化硅。半透半反射介质膜的反射率和透过率为1:1，用于将入射到第一凹面的光线一半发生反射，一半发生透射。

第二正透镜3为一个光焦度为正凸凹透镜，凹面朝向显示屏侧，凸面朝向第一正透镜侧。第二正透镜3的焦距及第一正透镜1、第二正透镜3以及显示屏之间位置关系满足：从显示屏发出的光，透过第二正透镜3所成的像，位于第一正透镜1的焦点处。

本发明实施例中，第二正透镜3也可以沿光轴设置在反射镜中心的通光孔的一侧，如图4所示。

上述图像显示装置的光学成像原理图可参见图7。

根据图7，从显示屏4发出的光，透过第二正透镜3后成放大的第一虚像；第一虚像在第一正透镜1的第一凹面上的半反半透介质膜上一部分发生反射，一部分发生透射；因从显示屏发出的图像光，透过第二正透镜3所成的像，位于第一正透镜1的焦点处，在第一凹面的半反半透介质膜处发生透射的图像光，经第一正透镜1的放大后以平行光的方式出射进入人眼；在第一凹面的半反半透介质膜处发生反射的光，反射至反射镜2的第二凹面上，第二凹面上的反射膜将反射光二次反射至第一凹面上的半反半透介质膜上，因第二凹面的曲率大于第一凹面的曲率，因此，二次反射的光朝向第一凹面的内侧(第一凹面的中心)偏移，二次反射的光透过第一凹面上的半反半透介质膜后经第一正透镜1的放大成像后进入人眼。

为了校正色差，本发明实施例中的第二正透镜3，可以是一个非球面凸透镜，如图8中的透镜(5)所示。

实施例4

本发明实施例提供的一种图像显示装置如图5所示，包括：同轴设置的第一正透镜1、反射镜2、第二正透镜单元5和显示屏4。其中，反射镜2的中心设置有通光孔；第二正透镜单元5，设置在反射镜中心的通光孔处。

其中，第一正透镜1为凸凹正透镜，第一正透镜1远离显示屏一侧为一个凸面，第一正透镜1朝向显示屏4一侧为第一凹面，第一凹面上设置的功能膜为半透半反介质膜。其中，半透半反射介质膜为氧化锆和/或氧化硅。半透半反射介质膜的反射率和透过率为1:1，用于将入射到第一凹面的光线一半发生反射，一半发生透射。

第二正透镜单元5为一个光焦度为正的透镜组或由多个透镜胶合成的胶合透镜，。第二正透镜单元5的焦距及第一正透镜1、第二正透镜单元5以及显示屏之间位置关系满足：从显示屏发出的光，透过第二正透镜单元5所成的像，位于第一正透镜1的焦点处。

根据图6，从显示屏4发出的图像光，透过第二正透镜单元5后成放大的第一虚像；第一虚像在第一正透镜1的第一凹面上的半反半透介质膜上一部分发生反射，一部分发生透射；因从显示屏发出的图像光，透过第二正透镜单元5所成的像，位于第一正透镜1的焦点处，在第一凹面的半反半透介质膜处发生透射的图像光，经第一正透镜1的放大后以平行光的方式出射进入人眼；在第一凹面的半反半透介质膜处发生反射的光，反射至反射镜2的第二凹面上，第二凹面上的反射膜将反射光二次反射至第一凹面上的半反半透介质膜上，因第二凹面的曲率大于第一凹面的曲率，因此，二次反射的光朝向第一凹面的内侧(第一凹面的中心)偏移，二次反射的光透过第一凹面上的半反半透介质膜后经第一正透镜1的放大成像后进入人眼。

为了增大由第一正透镜1和第二正透镜单元5组成的整个光学系统的视场角，需要调整由第一正透镜1和第二正透镜单元5组成的整个光学系统的整体焦距，通过将第二正透镜单元5的焦距变小，可将相同体积的图像显示装置的视场角调大。

为了实现由第一正透镜1和第二正透镜单元5组成的整个光学系统的整体焦距的可调整，第二正透镜单元5可以为由多个透镜组合而成的正透镜组，例如，正透镜组从显示屏侧到第一光学器件侧依次包括：一个双凹透镜和一个双凸透镜，如图8中的(1)所示；或者第二透镜组从显示屏侧到第一光学器件侧依次包括：一个平凹透镜和一个双凸透镜，如图8中的透镜组(2)所示。

考虑到正透镜组个各个透镜之间需要有足够的装配空间，不利于整个图像显示装置的体积小型化，为了适当的减小装配空间，第二正透镜单元5可以为可以是三胶合透镜，三胶合透镜从显示屏侧到第一光学器件侧依次包括：双凹透镜、双凸透镜和凸凹透镜，如图8中的透镜(3)所示。或者，三胶合透镜从显示屏侧到第一光学器件侧依次包括双凹透镜、双凸透镜和双凹透镜，如图8中的透镜(4)所示。三胶合镜相对于正透镜组来说，可以省去各个透镜之间的装配空间，进而有利于将由第一正透镜1、反射镜2、第二正透镜单元5和显示屏4构成的图像显示装置的体积减小。

上述图像显示装置中，第一正透镜1的第一凹面上设置半透半反膜，将从第二正透镜单元5透射后的图像光入射至第一凹面后，部分透射部分反射，反射镜2的第二凹面上设置有反射膜，因第一凹面和第二凹面相对设置，第一凹面的曲率小于第二凹面的曲率，反射膜能够将从第一凹面反射至第二凹面部分光线反射回第一正透镜1，从而改变反射光线的方向，使反射光线朝向第一正透镜1的内侧靠拢，进而可以校正图像显示装置视场边缘图像的色差，在相同视场角下，色差的减小以及整个光学透镜系统的焦距减小，将第一正透镜1的尺寸减小，进一步实现整个图像显示装置的结构紧凑和轻量化。

基于上述实施例中的几种图像显示装置，本发明实施例提供一种头戴式显示设备，包括上述实施例中的任一种图像显示装置，可具备结构紧凑和轻量化的特点。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种图像显示装置，其特征在于，包括：

沿同一光轴依次设置的第一光学器件、第二光学器件和显示屏；

所述第一光学器件包括第一正透镜单元，所述第一正透镜单元靠近所述显示屏一侧为第一凹面，所述第一凹面上设置功能膜，所述功能膜用于将入射至所述第一凹面的光部分透射部分反射；

所述第二光学器件至少包括一个反射镜，所述反射镜的中心设置有通光孔，使得来自所述显示屏的图像光透射到所述第一凹面；所述反射镜朝向所述第一光学器件的一侧为第二凹面，所述第一凹面与所述第二凹面相对设置，且所述第一凹面的曲率小于所述第二凹面的曲率，所述第二凹面上设置反射膜，所述反射膜用于将从所述第一凹面反射至所述第二凹面上的光线反射回所述第一凹面。

2.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述第一正透镜单元为单一的正透镜；

所述正透镜为第一正透镜，所述第一正透镜远离所述显示屏一侧为凸面，所述第一正透镜朝向所述显示屏一侧为所述第一凹面，所述第一凹面上设置的所述功能膜为半透半反介质膜。

3.如权利要求2所述的图像显示装置，其特征在于，

所述第二光学器件还包括第二正透镜单元，所述第二正透镜单元沿光轴设置在所述通光孔处，或者沿光轴设置在所述通光孔的两侧。

4.如权利要求3所述的图像显示装置，其特征在于，所述第二正透镜单元为单一的非球面凸透镜。

5.如权利要求3所述的图像显示装置，其特征在于，所述第二正透镜单元为三胶合透镜；

所述三胶合透镜从所述显示屏侧到所述第一光学器件侧依次包括：双凹透镜、双凸透镜和凸凹透镜；或者，

所述三胶合透镜从所述显示屏侧到所述第一光学器件侧依次包括双凹透镜、双凸透镜和双凹透镜。

6.如权利要求3所述的图像显示装置，其特征在于，所述第二正透镜单元是由多个透镜组合而成的正透镜组，所述正透镜组从所述显示屏侧到所述第一光学器件侧依次包括：

一个双凹透镜和一个双凸透镜；或者，

一个平凹透镜和一个双凸透镜。

7.如权利要求3述的图像显示装置，其特征在于，从所述显示屏发出的光，透过所述第二正透镜单元所成的像，位于所述第一正透镜的焦点处。

8.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述第一凹面的曲率半径，大于所述第一凹面与所述第二凹面的中心间距。

9.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述第二凹面为自由曲面、非球面或者球面。

10.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括区权利要1至9中任一项所述的图像显示装置。