CN107203039A - 头戴显示装置及其目镜光学系统的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及头戴显示装置及其目镜光学系统的加工方法，包括对应设置的目镜光学系统和显示屏；显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例范围为：1:1-16:3，目镜光学系统包括一个或多个透镜；目镜光学系统中至少一个透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边，且透镜宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.22-0.66，透镜的长边为进行过切边处理后的长边，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.683-0.992。本发明在保证目镜光学系统在满足大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等光学性能的情况下，使得头戴显示装置产品佩带更加舒适。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，更具体地说，涉及一种头戴显示装置及其目镜光学系统的加工方法。
背景技术
随着电子器件不断向超微型化发展，以及新的计算机、微电子、光电器件和通信理论和技术的发展，可穿戴计算这种基于“以人为本”“人机合一”的新型模式已经成为可能。在军事、工业、医疗、教育、消费等领域不断涌现应用。在一个典型的可穿戴计算系统架构中，头戴式显示装置是关键的组成部分。头戴显示装置通过光学技术，将微型图像显示器(例如透射式或反射式液晶显示屏，有机电致发光器件，DMD器件)发出的视频图像光引导到使用者的瞳孔，在使用者的近目范围实现虚拟、放大图像，为使用者提供直观、可视的图像、视频、文字信息。目镜光学系统是头戴显示装置的核心，实现将微型图像显示在人眼前形成虚拟放大图像的功能。
头戴显示装置向着体积紧凑，重量轻，便于头戴，减轻负载等方向发展。同时，大视场角和视觉舒适体验也逐渐成为衡量头戴显示装置优劣的关键因素，大视场角决定了高临场感的视觉体验效果，高像质、低畸变决定了视觉体验的舒适度。满足这些要求，需要目镜光学系统尽可能地实现大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等指标，同时满足上述光学性能对系统的设计和像差优化是很大挑战。
在加工目镜光学系统时，一般需要根据显示屏尺寸的大小对目镜光学系统进行切边加工，仍能保证在满足上述光学性能的情况下，尽量减轻目镜光学系统的重量和体积，使得头戴显示装置产品佩带更加舒适。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种光学性能好、体积紧凑、重量轻、可加工性好的带宽边切边目镜光学系统的头戴显示装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
构造一种头戴显示装置，包括对应设置的目镜光学系统和显示屏；所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例范围为：1:1-16:3，所述目镜光学系统至少包括一片或多片透镜；其中，至少有一片所述透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边，且所述透镜宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.22-0.66；
所述透镜的长边为进行过切边处理后的长边，所述透镜的正视图为矩形；
所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.683-0.992。
本发明所述的头戴显示装置，其中，所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:16，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.66；
所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.683。
本发明所述的头戴显示装置，其中，所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:12，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.57；
所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.778。
本发明所述的头戴显示装置，其中，所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:10，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.51；
所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.832。
本发明所述的头戴显示装置，其中，所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:9，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.47；
所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.860。
本发明所述的头戴显示装置，其中，所述透镜的正视图是由矩形切去四角后形成的多边形；所述透镜的正视图中四角被切去的部分均为三角形；所述三角形与所述透镜的宽边对应边z1的边长记为F，所述三角形与所述透镜的长边对应的边记为z2，所述三角形的第三条边记为z3，z1到z3对应的角为∠α，所述显示屏有效显示画面对角线到所述显示屏有效画面长边的角为∠β；
其中，满足下述关系式(1)和(2)：
∠α＝∠β＝atan(b/a) (1)；
F/D≤0.26 (2)；
上述关系式(1)和(2)中，a为所述显示屏有效显示画面对应的长度，b为显示屏有效显示画面对应的宽度，D为所述透镜的宽边切边后的保留尺寸。
本发明所述的头戴显示装置，其中，所述目镜光学系统包括两片透镜，分别为：第一透镜和第二透镜；其中，
所述第一透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边；
所述第二透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边，或者同时所述第二透镜的长边为进行切边处理后的长边。
本发明所述的头戴显示装置，其中，所述目镜光学系统包括三片透镜，分别为：第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，
第一透镜、第二透镜和第三透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边，或者同时第一透镜、第二透镜和第三透镜的长边为进行切边处理后的长边；
且第二透镜、第三透镜长边切边后的保留尺寸最小值与第二透镜、第三透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.80-1.02或0.90-1.10，第一透镜长边切边后的保留尺寸最小值与第二透镜、第三透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.683-0.992。
本发明所述的头戴显示装置，其中，所述目镜光学系统包括四片透镜，分别为：第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜；其中，
所述第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜的宽边均为进行过切边处理后的宽边。
本发明所述的头戴显示装置，其中，所述头戴显示装置为单眼头戴显示装置，包括：
一个目镜光学系统；和，一个与所述目镜光学系统对应的显示屏。
本发明所述的头戴显示装置，其中，所述头戴显示装置为双眼头戴显示装置，包括：
一个左眼目镜光学系统；和，一个与所述左眼目镜光学系统对应的左眼显示屏；
一个右眼目镜光学系统；和，一个与所述右眼目镜光学系统对应的右眼显示屏。
本发明所述的头戴显示装置，其中，所述目镜光学系统包括：
沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中第一透镜靠近人眼侧，第三透镜靠近像源侧，像源光线先后通过第三透镜、第二透镜、第一透镜被人眼观看；
所述第二透镜靠近像源侧的表面凸向像源方向；
所述第三透镜的两个光学表面曲率方向相同，均凹向像源方向。
本发明所述的头戴显示装置，其中，所述目镜光学系统包括：
包括从人眼观察侧到显示屏侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，且所述第一透镜组的有效焦距为负值，所述第二透镜组的有效焦距为正值；
所述第一透镜组由两片透镜构成，分别是靠近人眼侧的第四透镜和远离人眼侧的第五透镜，且所述第四透镜是双凸形状的正透镜，所述第四透镜是负透镜；所述第五透镜靠近人眼侧的光学表面凹向人眼侧，曲率半径为负值；
所述第二透镜组由一片或多片透镜构成，其中所述第二镜片组至少包括与所述第一透镜组近邻的第六透镜，以及包括第七透镜，所述第六透镜为正透镜，所述第七透镜位于所述第六透镜与显示屏侧之间。
本发明所述的头戴显示装置，其中，所述目镜光学系统包括：包括从人眼观察侧到显示屏侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，且所述第一透镜组的有效焦距为负值，所述第二透镜组的有效焦距为正值；
所述第一透镜组由两片透镜构成，分别是靠近人眼侧的第八透镜和远离人眼侧的第九透镜，且所述第八透镜是双凸形状的正透镜，所述第九透镜是负透镜；
所述第二透镜组由一片或多片透镜构成，其中所述第二镜片组至少包括与所述第一透镜组近邻的第十透镜，所述第十透镜为正透镜；
所述第二透镜组还包括第十一透镜和第十二透镜，第十透镜、第十一透镜和第十二透镜按从人眼侧到微型显示器侧依次排列；
第十一透镜位于所述第十透镜与显示屏侧之间。
本发明还提供了一种如前面所述的头戴显示装置目镜光学系统的加工方法，其中，包括以下步骤：
对所述头戴显示装置透镜的宽边进行切边处理；
其中，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.22-0.66；所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例范围为：1:1-16:3；
其中，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸为D，所述透镜的长边切边后的保留尺寸为E，所述目镜光学系统加工前外径为B；其中，B、D、E满足如下关系式(3)：
(3)；
在E/B的值大于0.92时，不对所述目镜光学系统的进行长边切边处理；
所述加工方法进一步包括步骤：对所述头戴显示装置透镜的长边进行切边处理；其中，所述透镜的正视图为矩形；
所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.683-0.992。
本发明所述的加工方法，其中，进一步包括步骤：对所述透镜进行切角处理，所述透镜的正视图是由矩形切去四角后形成的多边形；所述透镜的正视图中四角被切去的部分均为三角形；所述三角形与所述透镜的宽边对应边z1的边长记为F，所述三角形与所述透镜的长边对应的边记为z2，所述三角形的第三条边记为z3，z1到z3对应的角为∠α，所述显示屏有效显示画面对角线到所述显示屏有效画面长边的角为∠β；
其中，满足下述关系式(1)和(2)：
∠α＝∠β＝atan(b/a) (1)；
F/D≤0.26 (2)；
上述关系式(1)和(2)中，a为所述显示屏有效显示画面对应的长度，b为显示屏有效显示画面对应的宽度，D为所述透镜的宽边切边后的保留尺寸。
本发明的有益效果在于：通过按照设定好的切割方法，对透镜的宽边进行切边，同时对其长边进行切边，使得目镜光学系统整体重量减轻，且易加工和装配，同时可保证目镜光学系统在满足大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等光学性能的情况下，使得头戴显示装置佩带更加舒适。
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，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：
图1是本发明较佳实施例的头戴显示装置的宽边切边方式示意图；
图2是本发明实施例的经宽边切边后的目镜光学系统正面结构视图；
图3是本发明实施例的经宽边切边后的目镜光学系统中多个透镜立体装配示意图；
图4是本发明实施例的经宽边切边前的目镜光学系统光路示意图；
图5是本发明实施例的经宽边切边后的目镜光学系统光路示意图；
图6是本发明实施例的宽边和长边同时切边方式示意图一；
图7是本发明实施例的经宽边和长边同时切边后的目镜光学系统正面结构视图一；
图8是本发明实施例的经宽边和长边同时切边后的目镜光学系统立体结构视图一；
图9是图7和图8中所示的目镜光学系统光路示意图；
图10是本发明实施例的宽边和长边同时切边方式示意图二；
图11是本发明实施例的经宽边和长边切边后的目镜光学系统正面结构视图二；
图12是本发明实施例的经宽边和长边切边后的目镜光学系统立体结构视图二；
图13是本发明实施例的经宽边和长边同时切边前的目镜光学系统光路示意图；
图14是本发明实施例的经宽边和长边同时切边后的目镜光学系统光路示意图；
图15是本发明实施例的头戴显示装置的对透镜进行切角处理方式示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明较佳实施例的带宽边切边目镜光学系统的头戴显示装置包括对应设置的目镜光学系统和显示屏；显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例范围为：1:1-16:3；目镜光学系统至少包括一片或多片透镜；其中，至少有一片透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边，且透镜宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.22-0.66，包括：0.22、0.27、0.32、0.36、0.40、0.44、0.47、0.51、0.54、0.57、0.59、0.62、0.64、0.66。或者进一步地，显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例范围为：1:1-2:1；目镜光学系统至少包括一片或多片透镜；其中，至少有一片透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边，且透镜宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.44-0.66。
经验证，在对透镜的宽边进行切边后，使得其保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.22-0.66，优选为0.44-0.66，不仅能使目镜光学系统整体重量减轻、易加工和装配，同时可保证目镜光学系统满足大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等光学性能，使得头戴显示装置佩带更加舒适。
由于目镜光学系统为轴对称光学结构，用来观察矩形显示区域时，有一部分通光范围是没有被有效利用到的，因此可以根据显示屏的有效显示画面比例对透镜的长边和/或宽边进行切割，将其没有被有效利用的通光范围对应的光学结构部分去除，剩余部分的光学结构仍可保证满足大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等光学性能。
图1示出了一种头戴显示装置的宽边切边方式，其中两条平行虚线位置即为切除线，直径较大的实线圆环表示透镜原始尺寸，直径较小的实线圆环表示透镜的最大有效光学尺寸。其中，A为透镜的最大有效光学孔径，B为透镜外径，C为透镜加工制造余量，D为透镜宽边切边后的保留尺寸。
图2示出了采用图1的切边方式进行切边后的目镜光学系统正面结构，图3示出了采用图1的切边方式进行切边后的目镜光学系统立体装配结构，可见其中上下边缘被切除，两侧的弧形被保留，便于目镜光学系统在头戴显示装置中的安装固定。图4示出了经宽边切边前的目镜光学系统光路示意图，可以看出其光线覆盖范围并不涉及目镜光学系统的整个表面，而是其中的某一矩形区域；图5示出了经宽边切边后的目镜光学系统光路示意图，可以看出经过切除部分透镜，并未影响其光线通过部分，保证目镜光学系统满足大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等光学性能。
在进一步的实施例中，上述头戴显示装置的目镜光学系统中至少有一片透镜的长边为进行过切边处理后的长边，且进行长边切边后的透镜的正视图是四角为圆弧状的矩形；在透镜外径与最大有效光学孔径比值范围为：大于1.04时，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.80-1.02；或者，在透镜外径与最大有效光学孔径比值范围为：大于1.12时，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.90-1.10。
图6示出了一种头戴显示装置的长边和宽边同时切边方式，其中两组平行虚线位置即分别为长边和宽边切除线，直径较大的实线圆环表示透镜原始尺寸，直径较小的实线圆环表示透镜的最大有效光学尺寸。其中，A为透镜的最大有效光学孔径，B为透镜外径，C为透镜加工制造余量，D为透镜进行宽边切边后的保留尺寸，E表示透镜进行长边切边后的保留尺寸。
图7和图8分别示出了本发明的头戴显示装置按图6中所示意的方式进行宽边和长边同时切边后的目镜光学系统正面结构和立体结构，可看出进行宽边和长边切边后的透镜是四角为圆弧状的矩形。图9示出了图7和图8中的目镜光学系统四分之一的光路图，可看出即使进行了长边和宽边切边，其光路100并未受到影响，仍能保证目镜光学系统满足大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等光学性能。
优选地，上述头戴显示装置中，在显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:16时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.66；和/或，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.80。
优选地，上述头戴显示装置中，在显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:15时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.64；和/或，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.82。
优选地，上述头戴显示装置中，在显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:14时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.62；和/或，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.84。
优选地，上述头戴显示装置中，在显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:13时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.59；和/或，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.86。
优选地，上述头戴显示装置中，在显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:12时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与比值范围为：大于透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.57；和/或，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.87。
优选地，上述头戴显示装置中，在显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:11时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.54；和/或，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.89。
优选地，上述头戴显示装置中，在显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:10时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.51；和/或，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.91。
优选地，上述头戴显示装置中，在显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:9时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.47；和/或，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.93。
优选地，上述头戴显示装置中，在显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:8时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.44；和/或，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.94。
优选地，上述头戴显示装置中，在显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:7时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.40；和/或，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.96。
优选地，上述头戴显示装置中，在显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:6时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.36；和/或，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.98。
优选地，上述头戴显示装置中，在显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:5时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.32；和/或，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.99。
优选地，上述头戴显示装置中，在显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:4时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.27；和/或，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于1.00。
优选地，上述头戴显示装置中，在显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:3时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.22；和/或，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于1.02。
图10示出了一种头戴显示装置的长边和宽边同时切边方式，其中两组平行虚线位置即分别为长边和宽边切除线，直径较大的实线圆环表示透镜原始尺寸，直径较小的实线圆环表示透镜的最大有效光学尺寸。其中，A为透镜的最大有效光学孔径，B为透镜外径，C为透镜加工制造余量，D为透镜进行宽边切边后的保留尺寸，E表示透镜进行长边切边后的保留尺寸。
图11和图12分别示出了本发明的头戴显示装置按图10中所示意的方式进行宽边和长边同时切边后的目镜光学系统正面结构和立体结构，可看出进行宽边和长边切边后的透镜30是矩形；透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.683-0.992。图13示出了按图6、图10的方式进行长边及宽边切边前的目镜光学系统光路图，图14示出了按图6、图10的方式进行长边及宽边切边后的目镜光学系统光路图，可看出即使进行了长边和宽边切边，其光路100并未受到影响，仍能保证目镜光学系统满足大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等光学性能。
优选地，上述实施例中，按图10所示意的方式进行切边处理，显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:16时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.66；透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.683；
优选地，上述实施例中，按图10所示意的方式进行切边处理，显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:12时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与比值范围为：大于透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.57；透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.778。
优选地，上述实施例中，按图10所示意的方式进行切边处理，显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:10时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.51；透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.832。
优选地，上述实施例中，按图10所示意的方式进行切边处理，显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:9时，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.47；透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.860。
在更进一步的实施例中，按图15所示意的方式进行切边处理，透镜的长边为进行过切边处理后的长边，透镜的正视图是由矩形切去四角后形成的多边形；透镜的正视图中四角被切去的部分均为三角形；三角形与透镜的宽边对应边z1的边长记为F，三角形与透镜的长边对应边z2的边长记为G，三角形的第三条边z3的边长记为H，z1到z3对应的角为∠α，显示屏有效显示画面对角线到显示屏有效画面长边的角为∠β；其中，满足下述关系式(1)和(2)：
∠α＝∠β＝atan(b/a) (1)；
F/D≤0.26 (2)；
上述关系式(1)和(2)中，a为显示屏有效显示画面对应的长度，b为显示屏有效显示画面对应的宽度，D为透镜的宽边切边后的保留尺寸。
本发明提供的各实施例中，头戴显示装置可以为单眼头戴显示装置，包括：一个目镜光学系统；和，一个与目镜光学系统对应的显示屏。或者，头戴显示装置为双眼头戴显示装置，包括：一个左眼目镜光学系统；和，一个与左眼目镜光学系统对应的左眼显示屏；一个右眼目镜光学系统；和，一个与右眼目镜光学系统对应的右眼显示屏。
在一个具体的实施例中，如图7、图8和图9所示，头戴显示装置的目镜光学系统包括两片透镜20：第一透镜21和第二透镜22。其中，第一透镜21的宽边为进行过切边处理后的宽边；第二透镜22的宽边为进行过切边处理后的宽边，同时第一透镜21和第二透镜22的长边为进行切边处理后的长边。第一透镜21和第二透镜22宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.22-0.66。在透镜外径与最大有效光学孔径比值范围为：大于1.04时，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.80-1.02。在透镜外径与最大有效光学孔径比值范围为：大于1.12时，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.90-1.10。
在另一个具体的实施例中，如图13和图14所示，头戴显示装置的目镜光学系统包括三片透镜：沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23，其中第一透镜21靠近人眼侧，第三透镜23靠近像源侧，像源光线先后通过第三透镜23、第二透镜22、第一透镜21被人眼观看；所述第二透镜22靠近像源侧的表面凸向像源方向；所述第三透镜23的两个光学表面曲率方向相同，均凹向像源方向。
其中，优选地，第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23的宽边为进行过切边处理后的宽边，宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.22-0.66；同时第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23的长边为进行切边处理后的长边；且第二透镜22、第三透镜23长边切边后的保留尺寸最小值与第二透镜22、第三透镜23的最大有效光学孔径比值范围为：0.80-1.02或0.90-1.10，第一透镜21长边切边后的保留尺寸最小值与第二透镜22、第三透镜23的最大有效光学孔径比值范围为：0.683-0.992。
在另一个具体的实施例中，如图2、图3、图4和图5所示，头戴显示装置的目镜光学系统包括四片透镜10：包括从人眼观察侧到显示屏侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，且所述第一透镜组的有效焦距为负值，所述第二透镜组的有效焦距为正值；所述第一透镜组由两片透镜构成，分别是靠近人眼侧的第四透镜11和远离人眼侧的第五透镜12，且所述第四透镜11是双凸形状的正透镜，所述第四透镜11是负透镜；所述第五透镜12靠近人眼侧的光学表面凹向人眼侧，曲率半径为负值；所述第二透镜组由一片或多片透镜构成，其中所述第二镜片组至少包括与所述第一透镜组近邻的第六透镜13，以及包括第七透镜14，所述第六透镜13为正透镜，所述第七透镜14位于所述第六透镜13与显示屏侧之间。
其中，优选地，第四透镜11、第五透镜12、第六透镜13和第七透镜14的宽边均为进行过切边处理后的宽边；且透镜宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.22-0.66。
在另一个具体的实施例中，头戴显示装置的目镜光学系统包括五片透镜(未图示)：包括从人眼观察侧到显示屏侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，且所述第一透镜组的有效焦距为负值，所述第二透镜组的有效焦距为正值；所述第一透镜组由两片透镜构成，分别是靠近人眼侧的第八透镜和远离人眼侧的第九透镜，且所述第八透镜是双凸形状的正透镜，所述第九透镜是负透镜；所述第九透镜靠近人眼侧的光学表面凹向人眼侧，曲率半径为负值；所述第二透镜组由一片或多片透镜构成，其中所述第二镜片组至少包括与所述第一透镜组近邻的第十透镜，所述第十透镜为正透镜；所述第二透镜组还包括第十一透镜和第十二透镜，第十透镜、第十一透镜和第十二透镜按从人眼侧到微型显示器侧依次排列；第十一透镜位于所述第十透镜与显示屏侧之间。其中，第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜按前述各实施例中的方式进行宽边切边，或同时进行宽边和长边切边。
在本发明的另一实施例中，还提供了一种根据的头戴显示装置目镜光学系统的加工方法，参考图1，包括以下步骤：对头戴显示装置透镜的宽边进行切边处理；其中，透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.22-0.66；显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例范围为：1:1-16:3。经验证，在对透镜的宽边进行切边后，使得其保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.22-0.66，不仅能使目镜光学系统整体重量减轻、易加工和装配，同时可保证目镜光学系统满足大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等光学性能，使得头戴显示装置佩带更加舒适。
上述加工方法中，透镜的宽边切边后的保留尺寸为D，透镜的长边切边后的保留尺寸为E，目镜光学系统加工前外径为B；其中，B、D、E满足如下关系式(3)：
(3)；
在E/B的值大于0.92时，不对目镜光学系统的进行长边切边处理。
参阅图10，上述加工方法进一步包括步骤：对头戴显示装置透镜的长边进行切边处理；其中，透镜的正视图为矩形；透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.683-0.992。
参阅图15，上述加工方法进一步包括步骤：对透镜进行切角处理，透镜的正视图是由矩形切去四角后形成的多边形；透镜的正视图中四角被切去的部分均为三角形；三角形与透镜的宽边对应边z1的边长记为F，三角形与透镜的长边对应的边记为z2，三角形的第三条边记为z3，z1到z3对应的角为∠α，显示屏有效显示画面对角线到显示屏有效画面长边的角为∠β；
其中，满足下述关系式(1)和(2)：
∠α＝∠β＝atan(b/a) (1)；
F/D≤0.26 (2)；
上述关系式(1)和(2)中，a为显示屏有效显示画面对应的长度，b为显示屏有效显示画面对应的宽度，D为透镜的宽边切边后的保留尺寸。
综上，本发明通过按照设定好的切割方法，对透镜的宽边和长边进行切边，使得目镜光学系统整体重量减轻，且易加工和装配，同时可保证目镜光学系统在满足大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等光学性能的情况下，使得头戴显示装置佩带更加舒适。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (16)
1.一种头戴显示装置，包括对应设置的目镜光学系统和显示屏；所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例范围为：1:1-16:3，所述目镜光学系统至少包括一片或多片透镜；其特征在于，至少有一片所述透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边，且所述透镜宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.22-0.66；
所述透镜的长边为进行过切边处理后的长边，所述透镜的正视图为矩形；
所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.683-0.992。
2.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:16，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.66；
所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.683。
3.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:12，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.57；
所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.778。
4.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:10，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.51；
所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.832。
5.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:9，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.47；
所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.860。
6.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述透镜的正视图是由矩形切去四角后形成的多边形；所述透镜的正视图中四角被切去的部分均为三角形；所述三角形与所述透镜的宽边对应边z1的边长记为F，所述三角形与所述透镜的长边对应的边记为z2，所述三角形的第三条边记为z3，z1到z3对应的角为∠α，所述显示屏有效显示画面对角线到所述显示屏有效画面长边的角为∠β；
其中，满足下述关系式(1)和(2)：
∠α＝∠β＝atan(b/a) (1)；
F/D≤0.26 (2)；
上述关系式(1)和(2)中，a为所述显示屏有效显示画面对应的长度，b为显示屏有效显示画面对应的宽度，D为所述透镜的宽边切边后的保留尺寸。
7.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述目镜光学系统包括两片透镜，分别为：第一透镜和第二透镜；其中，
所述第一透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边；
所述第二透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边，或者同时所述第二透镜的长边为进行切边处理后的长边。
8.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述目镜光学系统包括三片透镜，分别为：第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，
第一透镜、第二透镜和第三透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边，或者同时第一透镜、第二透镜和第三透镜的长边为进行切边处理后的长边。
9.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述目镜光学系统包括四片透镜，分别为：第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜；其中，
所述第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜的宽边均为进行过切边处理后的宽边。
10.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述头戴显示装置为单眼头戴显示装置，包括：
一个目镜光学系统；和，一个与所述目镜光学系统对应的显示屏。
11.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述头戴显示装置为双眼头戴显示装置，包括：
一个左眼目镜光学系统；和，一个与所述左眼目镜光学系统对应的左眼显示屏；
一个右眼目镜光学系统；和，一个与所述右眼目镜光学系统对应的右眼显示屏。
12.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述目镜光学系统包括：
沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中第一透镜靠近人眼侧，第三透镜靠近像源侧，像源光线先后通过第三透镜、第二透镜、第一透镜被人眼观看；
所述第二透镜靠近像源侧的表面凸向像源方向；
所述第三透镜的两个光学表面曲率方向相同，均凹向像源方向。
13.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述目镜光学系统包括：
包括从人眼观察侧到显示屏侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，且所述第一透镜组的有效焦距为负值，所述第二透镜组的有效焦距为正值；
所述第一透镜组由两片透镜构成，分别是靠近人眼侧的第四透镜和远离人眼侧的第五透镜，且所述第四透镜是双凸形状的正透镜，所述第四透镜是负透镜；所述第五透镜靠近人眼侧的光学表面凹向人眼侧，曲率半径为负值；
所述第二透镜组由一片或多片透镜构成，其中所述第二镜片组至少包括与所述第一透镜组近邻的第六透镜，以及包括第七透镜，所述第六透镜为正透镜，所述第七透镜位于所述第六透镜与显示屏侧之间。
14.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述目镜光学系统包括：包括从人眼观察侧到显示屏侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，且所述第一透镜组的有效焦距为负值，所述第二透镜组的有效焦距为正值；
所述第一透镜组由两片透镜构成，分别是靠近人眼侧的第八透镜和远离人眼侧的第九透镜，且所述第八透镜是双凸形状的正透镜，所述第九透镜是负透镜；
所述第二透镜组由一片或多片透镜构成，其中所述第二镜片组至少包括与所述第一透镜组近邻的第十透镜，所述第十透镜为正透镜；
所述第二透镜组还包括第十一透镜和第十二透镜，第十透镜、第十一透镜和第十二透镜按从人眼侧到微型显示器侧依次排列；
第十一透镜位于所述第十透镜与显示屏侧之间。
15.一种如权利要求1中所述的头戴显示装置目镜光学系统的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
对所述头戴显示装置透镜的宽边进行切边处理；
其中，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.22-0.66；所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例范围为：1:1-16:3；
其中，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸为D，所述透镜的长边切边后的保留尺寸为E，所述目镜光学系统加工前外径为B；其中，B、D、E满足如下关系式(3)：
(3)；
在E/B的值大于0.92时，不对所述目镜光学系统的进行长边切边处理；
所述加工方法进一步包括步骤：对所述头戴显示装置透镜的长边进行切边处理；其中，所述透镜的正视图为矩形；
所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.683-0.992。
16.根据权利要求15所述的加工方法，其特征在于，进一步包括步骤：对所述透镜进行切角处理，所述透镜的正视图是由矩形切去四角后形成的多边形；所述透镜的正视图中四角被切去的部分均为三角形；所述三角形与所述透镜的宽边对应边z1的边长记为F，所述三角形与所述透镜的长边对应的边记为z2，所述三角形的第三条边记为z3，z1到z3对应的角为∠α，所述显示屏有效显示画面对角线到所述显示屏有效画面长边的角为∠β；
其中，满足下述关系式(1)和(2)：
∠α＝∠β＝atan(b/a) (1)；
F/D≤0.26 (2)；
上述关系式(1)和(2)中，a为所述显示屏有效显示画面对应的长度，b为显示屏有效显示画面对应的宽度，D为所述透镜的宽边切边后的保留尺寸。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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