CN107290857A - 一种头戴式显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种头戴式显示设备，包括：壳体，设置在壳体内的离轴光学系统，离轴光学系统包括自由曲面镜片、透镜组、图像显示器；图像显示器上发出的图像光依次经透镜组的折射、自由曲面镜片的反射后进入到头戴式显示设备的佩戴者的眼中，从而使佩戴者观看到所述图像；透镜组包括N个非球面透镜，任意相邻的两个非球面透镜离轴设置，其中，N为大于2且小于6的正整数，N个非球面透镜还满足以下条件中的至少一个：任意相邻的两个非球面透镜的离轴角度不大于30°；任意相邻的两个非球面透镜之间的偏离距离不大于30mm。上述离轴光学系统的整体设计，有利于头戴式显示设备具备重量轻、体积小和大视场角的优势。
Description
技术领域
本发明涉及头戴显示成像技术领域，尤其涉及一种头戴式显示设备。
背景技术
近年来，应用在头戴式显示设备的光学显示系统随着光学、电子等领域的发展而得到了迅猛的发展，头戴光学显示系统通过显示器、光学透镜的组合，使人可以观看到屏幕信息。
由于可以大幅度的提高光学系统的出瞳直径以及出瞳距，并且可以更合理的分配重量，离轴式光学显示系统越来越多的应用在头戴式显示设备中。而对于头戴显示设备，为了满足与外界交互的不同场景，理想的离轴光学系统应当满足大视场角，重量轻、具有良好舒适度等特点。
目前的头戴显示设备中，为了矫正像差，保证光学成像质量，离轴光学系统的光学组件的数量较多，存在尺寸大、重量重、不利于佩戴的不足，并且在光学组件的数量较多的情况下，离轴光学系统整体设计较为复杂，受离轴光学系统整体设计的多因素影响，不容易满足大视场角。
综上，现有技术中头戴式显示设备的离轴光学系统的整体设计存在着不具备重量轻、体积小和大视场角的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种头戴式显示设备，用以解决现有技术中头戴式显示设备的离轴光学系统存在的不具备重量轻、体积小和大视场角的技术问题。
本发明实施例提供一种头戴式显示设备，包括：壳体，设置在壳体内的离轴光学系统，所述离轴光学系统包括自由曲面镜片、透镜组、图像显示器；
所述图像显示器上发出的图像光依次经所述透镜组的折射、所述自由曲面镜片的反射后进入到所述头戴式显示设备的佩戴者的眼中，从而使所述佩戴者观看到所述图像；
所述透镜组包括N个非球面透镜，任意相邻的两个所述非球面透镜离轴设置，其中，N为大于2且小于6的正整数；所述N个非球面透镜还满足以下条件中的至少一个：
任意相邻的两个所述非球面透镜的离轴角度不大于30°；
任意相邻的两个所述非球面透镜之间的偏离距离不大于30mm。
进一步的，所述自由曲面镜片相对于所述壳体离轴设置，所述自由曲面镜片的离轴角度为30°～50°。
所述佩戴者观看所述图像时的对角线视场角为50°～60°；其中，所述对角线视场角为所述佩戴者观看所述图像时视线沿所述图像的对角线方向的最大视角。
进一步的，所述佩戴者观看所述图像时的水平视场角和垂直视场角的比例为5:4；
其中，所述水平视场角为所述佩戴者观看所述图像时视线沿所述图像的水平方向的最大视角，所述垂直视场角为所述佩戴者观看所述反射图像时视线沿所述图像的垂直方向的最大视角。
可选的实施例中，任意相邻的两个所述非球面透镜之间的最小空气间隔为1mm～10mm。
可选的实施例中，所述离轴光学系统的垂直高度为100mm～210mm。
可选的实施例中，所述离轴光学系统的出瞳距离不小于50mm。
可选的实施例中，所述自由曲面镜片与所述透镜组的材质为树脂材料。
可选的实施例中，所述N个非球面透镜中的其中一个为胶合透镜，所述胶合透镜由一个凸透镜和一个凹透镜胶合而成。
可选的实施例中，所述透镜组包括3个非球面透镜，所述3个非球面透镜沿靠近所述自由曲面镜片的方向依次包括第一非球面透镜、第二非球面透镜和第三非球面透镜，其中，所述第一非球面透镜和所述第三非球面透镜为凸透镜，所述第二非球面透镜为所述胶合透镜。
可选的实施例中，所述透镜组包括4个非球面透镜，所述4个非球面透镜沿靠近所述自由曲面镜片的方向依次包括第一非球面透镜、第二非球面透镜、第三非球面透镜和第四非球面透镜；其中，所述第一非球面透镜为正透镜，所述第二非球面透镜和所述第四非球面透镜为凸透镜，所述第三非球面透镜为所述胶合透镜。
可选的实施例中，所述透镜组包括5个非球面透镜，所述5个非球面透镜沿靠近所述自由曲面镜片的方向依次包括第一非球面透镜、第二非球面透镜、第三非球面透镜、第四非球面透镜和第五非球面透镜；其中，所述第一非球面透镜和所述第五非球面透镜为正透镜，所述第二非球面透镜和所述第四非球面透镜为凸透镜，所述第三非球面透镜为所述胶合透镜。
上述实施例中，通过对头戴式显示设备的离轴光学系统进行整体设计，在保证离轴光学系统中的透镜个数尽可能少的基础上，通过调整透镜组内的非球面透镜之间的离轴角度和偏离距离来提升头戴式显示设备内的离轴光学系统的视场角，尤其是在透镜组内的非球面透镜的个数为3至5个时，至少满足任意相邻的非球面透镜之间的离轴角度不大于30°和任意相邻的非球面透镜之间的偏离距离不大于30mm中的至少一个条件时，有利于整个离轴光学系统具备重量轻、体积小和大视场角。
附图说明
图1a为本发明实施例提供的一种头戴式显示设备的局部结构示意图；
图1b为本发明实施例提供的一种头戴式显示设备的局部结构示意图
图2为本发明实施例一提供的头戴式显示设备的局部结构示意图；
图3为本发明实施例一提供的头戴式显示设备内的离轴光学系统的光路结构示意图；
图4为本发明实施例一提供的头戴式显示设备内的离轴光学系统的MTF曲线示意图；
图5为本发明实施例二提供的头戴式显示设备的局部结构示意图；
图6为本发明实施例二提供的头戴式显示设备内的离轴光学系统的光路结构示意图；
图7为本发明实施例二提供的头戴式显示设备内的离轴光学系统的MTF曲线示意图；
图8为本发明实施例三提供的头戴式显示设备的局部结构示意图；
图9为本发明实施例三提供的头戴式显示设备内的离轴光学系统的光路结构示意图；
图10为本发明实施例三提供的头戴式显示设备内的离轴光学系统的MTF曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例提供的一种头戴式显示设备进行说明。
对于离轴光学系统来说，视场角的大小、重量以及尺寸与离轴光学系统的整体设计有关，影响因素包括多个，比如离轴光学系统内透镜个数，以及透镜的焦距，以及透镜之间的结构设计、尺寸设计等。为了提升视场角的同时，减小整个离轴光学系统的体积，本发明对头戴式显示设备的离轴光学系统进行整体设计，在保证离轴光学系统中的透镜个数尽可能少的基础上，通过调整透镜之间的离轴角度来提升头戴式显示设备内的离轴光学系统的视场角，同时保证整个离轴光学系统的透镜间的结构紧凑。
本发明实施例提供一种头戴式显示设备，包括：壳体，设置在壳体内的离轴光学系统，离轴光学系统包括自由曲面镜片、透镜组、图像显示器，图像显示器上发出的图像光依次经透镜组的折射、自由曲面镜片的反射后进入到头戴式显示设备的佩戴者的眼中，从而使佩戴者观看到所述图像；其中，透镜组包括N个非球面透镜，任意相邻的两个非球面透镜离轴设置，且自由曲面镜片离轴设置，其中，N为大于2且小于6的正整数。
由于离轴光学系统的出瞳直径以及出瞳距离较大，并且自由曲面镜片离轴，为了保证结构的合理性，可以设计透镜组每两个相邻透镜的轴线(或轴线的垂直线)有一定的角度的偏移、沿竖直方向位置的偏移。
一种可选的实施例中，透镜组内的非球面透镜的个数满足3至5个，并且3至5个非球面透镜满足任意相邻的两个所述非球面透镜的离轴角度不大于30°时，有利于整个离轴光学系统具备重量轻、体积小和大视场角。
一种可选的实施例中，透镜组内的非球面透镜的个数满足3至5个，并且3至5个非球面透镜满足任意相邻的两个所述非球面透镜之间的偏离距离不大于30mm时，有利于整个离轴光学系统具备重量轻、体积小和大视场角。
一种可选的实施例中，透镜组内的非球面透镜的个数满足3至5个，并且3至5个非球面透镜满足：任意相邻的两个所述非球面透镜的离轴角度不大于30°以及满足任意相邻的两个所述非球面透镜之间的偏离距离不大于30mm时，有利于整个离轴光学系统具备重量轻、体积小和大视场角。
下面以透镜组包括3个非球面透镜为例，说明每两个非球面透镜的离轴角度，以及每两个非球面透镜的偏离距离，以及每两个非球面透镜的偏离方向。
一种可选的实施例中，任意相邻的两个非球面透镜的离轴角度通过以下方式确定：任意相邻的两个非球面透镜的离轴角度是两个非球面透镜的轴线的垂直线的夹角，其中，竖直方向为离轴光学系统所在坐标系的Y轴方向。任意相邻的两个非球面透镜之间的偏离距离为两个非球面透镜的的相邻面沿竖直方向的间距。
如图1a所示，离轴光学系统所在坐标系的Z轴方向与出瞳直径2垂直，离轴光学系统所在坐标系的Y轴方向垂直于Z轴方向，Z轴方向为头戴式显示设备的佩戴者的人眼平视前方时的水平方向，Y轴方向为重力方向，X轴方向与YOZ平面垂直。图1a所示的离轴光学系统的透镜组包括非球面透镜S1，非球面透镜S2，非球面透镜S3，且非球面透镜S1靠近图像显示器1设置，非球面透镜S3靠近自由曲面镜片S4设置，非球面透镜S2位于非球面透镜S1和非球面透镜S3之间。其中，非球面透镜S1，非球面透镜S2，非球面透镜S3之间相互离轴设置，自由曲面镜片S4离轴设置，非球面透镜S1和非球面透镜S2之间的离轴角度为θ1，非球面透镜S2和非球面透镜S3之间的离轴角度为θ2，其中，θ1为非球面透镜S1的轴线的垂直线与非球面透镜S2的轴线的垂直线的夹角，θ2为非球面透镜S2的轴线的垂直线与非球面透镜S3的轴线的垂直线的夹角。这里的离轴角度是指绝对值，并不包含偏离方向。其中，本发明实施例中，非球面透镜S1的轴线的垂直线，非球面透镜S2的轴线的垂直线，非球面透镜S3的轴线的垂直线包括并不限于图1a中的示例，图1a中示例出的构成离轴角度θ1、θ2的非球面透镜S1的轴线的垂直线，非球面透镜S2的轴线的垂直线，非球面透镜S3的轴线的垂直线仅为其中的一种。
本发明实施例中的离轴角度并不限于上述实施例中关于离轴角度的定义，作为可选实施例之一，任意相邻的两个非球面透镜的离轴角度也可以是两个非球面透镜的轴线的夹角，如图1b所示，图1b中的离轴光学系统的整体设计与图1a完全相同，但非球面透镜S1和非球面透镜S2之间的离轴角度为θ3，非球面透镜S2和非球面透镜S3之间的离轴角度为θ4，其中，θ3为非球面透镜S1的轴线与非球面透镜S2的轴线的夹角，θ4为非球面透镜S2的轴线与非球面透镜S3的轴线的夹角。其中，图1b中的θ3与图1a中的θ1相等，图1b中的θ4与图1a中的θ2相等。
一种可选的实施例中，任意相邻的两个非球面透镜的偏离距离通过以下方式确定：
仍以图1a所示的离轴光学系统为例，图1a所示的离轴光学系统的透镜组包括非球面透镜S1，非球面透镜S2，非球面透镜S3，且非球面透镜S1靠近图像显示器1设置，非球面透镜S3靠近自由曲面镜片S4设置，非球面透镜S2位于非球面透镜S1和非球面透镜S3之间。其中，非球面透镜S1，非球面透镜S2，非球面透镜S3之间相互离轴设置，自由曲面镜片S4离轴设置，非球面透镜S1相对于非球面透镜S2沿Y轴方向上的偏离距离为d1，非球面透镜S2相对于非球面透镜S3沿Y轴方向上的偏离距离为d2，这里的偏离距离是指绝对值，并不包括偏离方向。
其中，d1为非球面透镜S1上的位置A与非球面透镜S2的位置B沿Y轴方向上的距离。d2为非球面透镜S2上的位置C与非球面透镜S3的位置D沿Y轴方向上的距离。位置A是指非球面透镜S1的轴线与非球面透镜S1邻近非球面透镜S2的透镜表面的交点位置，位置B是指非球面透镜S2的轴线与非球面透镜S2邻近非球面透镜S1的透镜表面的交点位置，位置C是指非球面透镜S2的轴线与非球面透镜S2邻近非球面透镜S3的透镜表面的交点位置，位置D是指非球面透镜S3的轴线与非球面透镜S3邻近非球面透镜S2的透镜表面的交点位置。
本发明实施例中的偏离距离并不限于上述实施例中关于偏离距离的定义，作为可选实施例之一，任意相邻的两个非球面透镜的偏离距离也可以是两个非球面透镜的透镜中心沿竖直方向的间距，如图1b所示，为了便于说明偏离距离的另一种定义，图1b中的离轴光学系统的整体设计与图1a完全相同，非球面透镜S1相对于非球面透镜S2沿Y轴方向上的偏离距离为d3，非球面透镜S2相对于非球面透镜S3沿Y轴方向上的偏离距离为d4。其中，d3为非球面透镜S1的透镜中心O1与非球面透镜S2的透镜中心O2沿Y轴方向上的距离。D4为非球面透镜S2的透镜中心O2与非球面透镜S3的透镜中心O3沿Y轴方向上的距离。
一种可选的实施例中，任意相邻的两个非球面透镜的偏离方向，通过以下方式确定：
仍以图1a所示的离轴光学系统为例，以非球面透镜S3的轴线的垂直线为参照线1，若以该参照线1(或者参照线1的平行线)为基准线逆时针旋转θ2的角度得到非球面透镜S2的轴线的垂直线，则非球面透镜S2相对于非球面透镜S3的偏离方向为正向。若以非球面透镜S2的轴线的垂直线为参照线2，以该参照线2(或者参照线2的平行线)为基准线逆时针旋转θ1的角度得到非球面透镜S1的轴线的垂直线，则非球面透镜S1相对于非球面透镜S2的偏离方向为正向。
相应的，若以该参照线1(或者参照线1的平行线)为基准线顺时针旋转θ2的角度得到非球面透镜S2的轴线的垂直线，则非球面透镜S2相对于非球面透镜S3的偏离方向为负向。若以非球面透镜S2的轴线的垂直线为参照线2，以该参照线2(或者参照线2的平行线)为基准线顺时针旋转θ1的角度得到非球面透镜S1的轴线的垂直线，则非球面透镜S1相对于非球面透镜S2的偏离方向为负向。此示例中，正向与负向的定义反之也可以。
本发明实施例中的偏离方向并不限于上述实施例中关于偏离方向的定义，一种可选实施例中，也可以令任意相邻的非球面透镜的轴线分别作为参考线确定偏离方向。一种可选实施例中，也可以将靠近图像显示器的非球面透镜的轴线(或者轴线的垂直线)作为公共参照线，或者以靠近自由曲面镜片的非球面透镜的轴线(或者轴线的垂直线)为公共参照线，根据各个非球面透镜的轴线(或者轴线的垂直线)与公共参照线之间的位置关系，确定任意相邻的两个非球面透镜的偏离方向。
一种可选的实施例中，基于上述定义的偏离方向，任意相邻的两个非球面透镜的离轴角度的范围为-30°～30°，任意相邻的两个透镜间的偏离距离的范围为-30mm～30mm。
一种可选的实施例中，为了使相邻的非球面透镜之间的结构更加紧凑，可选的，任意相邻的两个非球面透镜的离轴角度不大于10°，任意相邻的两个非球面透镜之间的偏离距离不大于10mm。
如果加上偏离方向，则任意相邻的两个非球面透镜的离轴角度的范围为-10°～10°。如果加上偏离方向，任意相邻的两个透镜间的偏离距离的范围为-10mm～10mm。
除了透镜组内的N个非球面透镜离轴设置，本发明实施例中，自由曲面镜片也离轴设置，而且是相对于壳体离轴设置。
仍以图1a所示的离轴光学系统为例，自由曲面镜片S4的离轴角度为α1，α1为自由曲面镜片S4的轴线的垂直线偏离Y轴方向的角度。
本发明实施例中自由曲面镜片S4的离轴角度的定义并不限于上述定义，自由曲面镜片S4的离轴角度也可定义为自由曲面镜片S4的轴线偏离Z轴方向的角度。以图1b所示的离轴光学系统为例，图1b中的离轴光学系统的整体设计与图1a完全相同，但自由曲面镜片S4的离轴角度为α2，α2为自由曲面镜片S4的轴线偏离Z轴方向的角度，图1b中的α2的大小与图1a中的α1的大小相等。
可选的实施例中，自由曲面镜片的离轴角度为30°～50°，在此基础上，可设计离轴光学系统的出瞳距离不小于50mm。
可选的实施例中，自由曲面镜片上镀有功能膜，功能膜的透过率和反射率满足设定比例，图像显示器1上发出的图像光依次经透镜组的折射、自由曲面镜片的反射后进入到头戴式显示设备的佩戴者的眼中，从而使佩戴者观看到虚拟图像，同时，从外部环境发出的自然光经自由曲面镜片的透射后进入到头戴式显示设备的佩戴者的眼中，从而使佩戴者观看到外部环境信息。
可选的实施例中，功能膜的透过率和反射率的比例为1:1，功能膜为半反半透膜，自由曲面镜片等效于半反半透镜。
可选的实施例中，透过率和反射率的比例也可以取其他值，如3:7，4:6，2:8等，具体可根据离轴光学系统的整体设计的实际需求来确定。
对于自由曲面镜片，其面型满足以下方程：
其中，z为沿Z轴方向的矢高，c为曲率，r是以自由曲面镜片的长度单位为单位的径向坐标，且满足x2+y2＝r2，r的坐标为沿X轴方向、Y轴方向创建的直角坐标系中的坐标值，k为圆锥系数，为Zernike多项式，Ai为Zernike多项式系数，其展开为：
其中，Zernike多项式项数为
上述实施例中，通过对头戴式显示设备的离轴光学系统进行整体设计，在保证离轴光学系统中的透镜个数尽可能少的基础上，通过调整透镜组内的非球面透镜之间的离轴角度和偏离距离来提升头戴式显示设备内的离轴光学系统的视场角，尤其是满足透镜组内的非球面透镜的个数为3至5个，非球面透镜之间的离轴角度不大于30°，偏离距离不大于30mm的条件时，有利于视场角的增大。
本发明实施例中，图像显示器上发出的图像光依次经透镜组的折射、自由曲面镜片的反射后进入到头戴式显示设备的佩戴者的眼中，从而使佩戴者观看到图像。根据人眼观看图像时在水平方向的视角比垂直方向的视角大的特点，本发明实施例中佩戴者观看图像时的视场角包括水平视场角、垂直视场角和对角线视场角。对角线视场角为佩戴者观看图像时视线沿图像的对角线方向的最大视角，水平视场角为佩戴者观看图像时视线沿图像的水平方向的最大视角，垂直视场角为佩戴者观看反射图像时视线沿图像的垂直方向的最大视角。为了便于说明此处的水平方向和垂直方向，以佩戴者观察到的图像为二维图像为例，水平方向可以理解为佩戴者观察到的图像的宽度方向，垂直方向可以理解为佩戴者观察到的图像的高度方向。
其中，对角线视场角与整个离轴光学系统的整体设计和图像显示器有关，水平视场角和垂直视场角与图像显示器水平和垂直方向的尺寸有关。
可选的实施例中，本发明实施例中的图像显示器为微型图像显示器，可选的微型图像显示器的尺寸范围为0.59～0.7in，优选的微型图像显示器的尺寸为0.61in，此尺寸下的水平和垂直方向的尺寸的比例为5:4。
本发明实施例中，透镜组内的非球面透镜的个数选择为3至5个，任两个相邻的非球面透镜之间的离轴角度不大于30°，偏离距离不大于30mm，佩戴者观看图像时的对角线视场角的大小可达50°～60°；进一步的，图像显示器的屏幕尺寸选择为0.61in，使得佩戴者观看图像时的水平视场角、垂直视场角的比例为5:4，基于上述离轴光学系统的整体设计，得到光学截止频率为33lp/mm时MTF>0.1，成像质量满足眼分辨率。
可选的实施例中，为了使透镜组内透镜间的结构合理性以及尺寸紧凑，透镜组中任意相邻的两个非球面透镜之间的最小空气间隔为1mm～10mm。
可选的实施例中，为了控制整体光学系统的尺寸，离轴光学系统的垂直高度应控制在100mm～210mm，即人眼出瞳位置的正中心点与图像显示器的最高点的高度差为100mm～210mm。在整个光学系统的结构设计合理的基础上，令光学系统的高度控制在上述范围内，有利于头戴式显示设备轻便，有利于佩戴。
在光学系统的设计中，除了满足大视场角，重量轻等特点，还应满足使用者在使用时有良好的舒适度并且与外界可以交互的性能，从而满足不同场景，不同条件下的使用。
可选的实施例中，为了增加使用者的舒适度，同时便于使用者在较为严酷的环境中使用，离轴光学系统的出瞳直径不小于15mm，并且离轴光学系统的出瞳距离不小于50mm。在前述实施例的设计条件的基础上，离轴光学系统的出瞳直径不小于15mm，出瞳距离不小于50mm，可以增加使用者的使用舒适度，还可以更合理的分配重量，使人眼前方只有一片厚度与近视镜片厚度相当的镜片。也可增加光学系统的使用范围，除了应用在头戴式显示设备，如头盔中，还可应用在佩戴的眼镜或或面具中。
为了进一步减小透镜组的尺寸，透镜组包括的N个非球面透镜中的一个为胶合透镜，胶合透镜由一个凸透镜和一个凹透镜胶合而成，使用胶合透镜，有利于减小透镜组的总厚度，因为不用增加空气间隔。
可选的实施例中，胶合透镜中的凸透镜由阿贝数大于50的材料制作而成，凹透镜由阿贝数小于50的材料制作而成，或者，胶合透镜中的凹透镜由阿贝数大于50的材料制作而成，凸透镜由阿贝数小于50的材料制作而成。
优选的实施例中，胶合透镜的整体光焦度为负，这样胶合透镜整体等效于一个凹透镜，与前后相邻的光焦度为正的非球面透镜构成凸凹凸组合，能够有效的改善光学系统的球面像差、慧差、色差等。
通过上述透镜组内任意相邻的两个透镜间的离轴角度、偏离距离和最小空气间隔，自由曲面镜片的离轴角度，微型图像显示器的屏幕尺寸，水平视场角、垂直视场角的比例，对角线视场角的大小，离轴光学系统的整体高度，出瞳直径，出瞳距离等的控制，可以保证头戴式显示设备中的离轴光学系统满足结构合理性、轻小性以及大视场角。
可选的实施例中，为了进一步的控制加工成本以及批量生产，透镜组内的非球面透镜和自由曲面镜片的材质为树脂材料，如PMMA等，材质的成本低廉，且加工工艺成熟，这样就可以用注塑加工批量生产。
在透镜组的安装过程中，结构公差在所难免，为了保证各个透镜的结构公差所带来的串扰，透镜组内透镜的数量应尽量少，为了矫正像差，保证光学成像质量，离轴光学系统可以由3～5个非球面透镜构成，3～5个非球面透镜的面型组合有多种方式。
可选的实施例中，透镜组包括3个非球面透镜，3个非球面透镜沿靠近自由曲面镜片的方向依次包括第一非球面透镜、第二非球面透镜和第三非球面透镜，其中，第一非球面透镜和第三非球面透镜为凸透镜，第二非球面透镜为胶合透镜，胶合透镜的整体光焦度为负，相当于一个凹透镜。
可选的实施例中，透镜组包括4个非球面透镜，4个非球面透镜沿靠近自由曲面镜片的方向依次包括第一非球面透镜、第二非球面透镜、第三非球面透镜和第四非球面透镜；其中，第一非球面透镜为正透镜，第二非球面透镜和第四非球面透镜为凸透镜，第三非球面透镜为胶合透镜。
可选的实施例中，透镜组包括5个非球面透镜，5个非球面透镜沿靠近自由曲面镜片的方向依次包括第一非球面透镜、第二非球面透镜、第三非球面透镜、第四非球面透镜和第五非球面透镜；其中，第一非球面透镜和第五非球面透镜为正透镜，第二非球面透镜和第四非球面透镜为凸透镜，第三非球面透镜为胶合透镜。
基于上述实施例的内容，本发明实施例提供的头戴式显示设备的示例一如图2所示，头戴式显示设备包括的任一离轴光学系统包括自由曲面镜片S4、透镜组和图像显示器1，头戴式显示设备的内部空间还包括与离轴光学系统构成光路的人眼位置，人眼位置用出瞳直径2表示。其中，透镜组包括3个非球面透镜，这3个非球面透镜沿朝向自由曲面镜片S4的方向依次为凸透镜S1、胶合透镜S2和凸透镜S3。在此透镜组中，胶合透镜S2前后均有一个凸透镜，利用凸透镜、凹透镜、凸透镜的组合，能够有效的改善光学系统的球面像差、慧差、色散。
为了增加使用者的舒适度，该离轴光学系统的出瞳直径不小于15mm，并且出瞳距不小于50mm。在此基础上，为了使光学系统的整体视场角增大，首先，在凸透镜S1、胶合透镜S2和凸透镜S3构成的透镜组中，每相邻的两个透镜需要离轴设置，并且每相邻的两个透镜的离轴角度不大于10°，每相邻的两个透镜的偏离距离不大于10mm；进一步的，自由曲面镜片S4的离轴角度需要控制在30°～50°之间，能够保证人眼观察到反射图像的全貌，在以上条件的控制下，如图3所示，图像显示器1上发出的图像光依次经透镜组中的凸透镜S1、胶合透镜S2和凸透镜S3的折射、自由曲面镜片S4的反射后进入到头戴式显示设备的佩戴者的眼中，从而使佩戴者观看到图像，佩戴者观看图像时的对角线视场角能够达到55°；再进一步的，选择的图像显示器应该为微型图像显示器，该微型显示器的屏幕尺寸大小优选为0.61in，使得佩戴者观看图像时的水平视场角、垂直视场角的比例为H:V＝45°：32°，因此，在此实施例中，离轴光学系统的整体设计可以满足结构紧凑、轻小性以及大视场角。
此外，为了保证透镜组结构的合理性和轻小性，透镜组中每两个相邻透镜之间的最小空气间隔应控制在1mm～10mm之间，并且整体光学系统的高度控制在100mm～210mm，例如，例如，图像显示器1的屏幕的最高点距离人眼出瞳位置的正中心点的高度差在100mm～210mm内。
可选的实施例中，在此透镜组中，凸透镜S1与胶合透镜S2，胶合透镜S2与凸透镜S3之间的离轴角度、偏离距离的具体参数，以及离轴光学系统的总高度如表1，其中，表1中的数据是基于图1a所示的离轴角度、偏离距离的定义确定的。
表1
基于离轴光学系统满足的上述设计条件，该离轴光学系统的MTF曲线如图4所示，MTF曲线从中心到边缘都十分的平滑，画面过渡自然，从中心到边缘的成像质量差距较小，整体光学系统的像差、色差等的矫正效果较好，光学截止频率为10lp/mm的时候，MTF的值基本都大于0.8；光学截止频率为20lp/mm的时候，MTF的值基本都大于0.6，光学截止频率为30lp/mm的时候，MTF的值基本都大于0.3；光学截止频率为33lp/mm时，MTF的值基本都大于0.25，这说明在实施例上述条件的控制下，该离轴光学系统的成像质量很高，远远高于人眼目视分辨的0.03，满足高成像质量的使用需求。
基于上述实施例的内容，本发明实施例提供的头戴式显示设备的示例二，如图5所示，头戴式显示设备包括的任一离轴光学系统包括自由曲面镜片S4、透镜组和图像显示器1，头戴式显示设备的内部空间还包括与所述离轴光学系统构成光路的人眼位置，人眼位置用出瞳直径2表示。其中，透镜组包括4个非球面透镜，这4个非球面透镜沿朝向自由曲面镜片S4的方向依次为正透镜S5，凸透镜S1、胶合透镜S2和凸透镜S3。
在此透镜组中，胶合透镜S2前后均有一个凸透镜，利用凸透镜、凹透镜、凸透镜的组合，能够有效的改善光学系统的球面像差、慧差、色散。而且在靠近图像显示器1的屏幕处，有一光焦度为正的正透镜S5，其作用主要为聚光，并且该正透镜S5与凸透镜S1通过一定角度与位置的偏移也可以起到矫正像差的作用。
为了增加使用者的舒适度，该离轴光学系统的出瞳直径不小于15mm，并且出瞳距不小于50mm。在此基础上，为了使光学系统的整体视场角增大，首先，在正透镜S5、凸透镜S1、胶合透镜S2和凸透镜S3构成的透镜组中，每相邻的两个透镜需要离轴设置，并且每相邻的两个透镜的离轴角度不大于30°，每相邻的两个透镜的偏离距离不大于10mm；进一步的，自由曲面镜片S4的离轴角度需要控制在30°～50°之间，能够保证人眼观察到反射图像的全貌，在以上条件的控制下，如图6所示，图像显示器1上发出的图像光依次经透镜组中的正透镜S5、凸透镜S1、胶合透镜S2、凸透镜S3的折射、自由曲面镜片S4的反射后进入到头戴式显示设备的佩戴者的眼中，从而使佩戴者观看到图像，佩戴者观看图像时的对角线视场角能够达到55°；再进一步的，选择的图像显示器应该为微型图像显示器，该微型显示器的屏幕尺寸大小优选为0.61in，使得佩戴者观看图像时的水平视场角、垂直视场角的比例为H:V＝45°：32°，因此，在此实施例中，离轴光学系统的整体设计可以满足结构紧凑、轻小性以及大视场角。
此外，为了保证透镜组结构的合理性和轻小性，透镜组中每两个相邻透镜之间的最小空气间隔应控制在1mm～10mm之间，并且整体光学系统的高度控制在100mm～210mm，例如，图像显示器1的屏幕的最高点距离人眼出瞳位置的正中心点的高度差在100mm～210mm内。
可选的实施例中，在此透镜组中，正透镜S5、凸透镜S1、胶合透镜S2、凸透镜S3相邻透镜间的离轴角度、偏离距离的具体参数，以及离轴光学系统的总高度如表2，其中，表2中的数据是基于图1a所示的离轴角度、偏离距离的定义确定的。
表2
基于离轴光学系统满足的上述设计条件，该离轴光学系统的MTF曲线如图7所示，MTF曲线从中心到边缘都十分的平滑，画面过渡自然，从中心到边缘的成像质量差距较小，整体光学系统的像差、色差等的矫正效果较好，光学截止频率为10lp/mm的时候，MTF的值基本都大于0.8；光学截止频率为20lp/mm的时候，MTF的值基本都大于0.6，光学截止频率为30lp/mm的时候，MTF的值基本都大于0.4；光学截止频率为33lp/mm时，MTF的值基本都大于0.4，这说明在实施例上述条件的控制下，该离轴光学系统的成像质量很高，远远高于人眼目视分辨的0.03，满足高成像质量的使用需求。
基于上述实施例的内容，本发明实施例提供的头戴式显示设备的示例三，如图8所示，头戴式显示设备包括的任一离轴光学系统包括自由曲面镜片S4、透镜组和图像显示器1，头戴式显示设备的内部空间还包括与所述离轴光学系统构成光路的人眼位置，人眼位置用出瞳直径2表示。其中，透镜组包括5个非球面透镜，这5个非球面透镜沿朝向自由曲面镜片S4的方向依次为正透镜S5，凸透镜S1、胶合透镜S2、凸透镜S3和正透镜S6。
在这种透镜组中，胶合透镜S2前后均有一个凸透镜，利用凸透镜、凹透镜、凸透镜的组合，能够有效的改善光学系统的球面像差、慧差、色散。靠近图像显示器1的屏幕处的正透镜S5，能够起到聚光的作用，正透镜S5与凸透镜S1通过一定角度与位置的偏移也可以起到矫正像差的作用。靠近自由曲面镜片S4处的正透镜S6与凸透镜S3通过一定角度与位置的偏移也可以起到矫正像差的作用。
为了增加使用者的舒适度，该离轴光学系统的出瞳直径不小于15mm，并且出瞳距不小于50mm。在此基础上，为了使光学系统的整体视场角增大，首先，在正透镜S5，凸透镜S1、胶合透镜S2、凸透镜S3和正透镜S6构成的透镜组中，每相邻的两个透镜需要离轴设置，并且每相邻的两个透镜的离轴角度不大于30°，每相邻的两个透镜的偏离距离不大于30mm；进一步的，自由曲面镜片S4的离轴角度需要控制在30°～50°之间，能够保证人眼观察到反射图像的全貌，在以上条件的控制下，如图9所示，图像显示器1上发出的图像光依次经透镜组中的正透镜S5，凸透镜S1、胶合透镜S2、凸透镜S3和正透镜S6的折射、自由曲面镜片S4的反射后进入到头戴式显示设备的佩戴者的眼中，从而使佩戴者观看到图像。佩戴者观看图像时的对角线视场角能够达到55°；再进一步的，选择的图像显示器应该为微型图像显示器，该微型显示器的屏幕尺寸大小优选为0.61in，使得佩戴者观看图像时的水平视场角、垂直视场角的比例为H:V＝45°：32°。因此，在此实施例中，离轴光学系统的整体设计可以满足结构紧凑、轻小性以及大视场角。
此外，为了保证透镜组结构的合理性和轻小性，透镜组中每两个相邻透镜之间的最小空气间隔应控制在1mm～10mm之间，并且整体光学系统的高度控制在100mm～210mm，例如，图像显示器1的屏幕的最高点距离人眼出瞳位置的正中心点的高度差在100mm～210mm内。
可选的实施例中，在此透镜组中，正透镜S5、凸透镜S1、胶合透镜S2、凸透镜S3、正透镜S6相邻透镜间的离轴角度、偏离距离的具体参数，以及离轴光学系统的总高度如表3，其中，表2中的数据是基于图1a所示的离轴角度、偏离距离的定义确定的。
表3
基于离轴光学系统满足的上述设计条件，离轴光学系统的MTF曲线如图10所示，MTF曲线从中心到边缘都十分的平滑，画面过渡自然，从中心到边缘的成像质量差距较小，整体光学系统的像差、色差等的矫正效果较好，光学截止频率为10lp/mm的时候，MTF的值基本都大于0.8；光学截止频率为20lp/mm的时候，MTF的值基本都大于0.5，光学截止频率为30lp/mm的时候，MTF的值基本接近0.4，光学截止频率为33lp/mm时，MTF的值基本都大于0.3。这说明在实施例上述条件的控制下，该离轴光学系统的成像质量很高，远远高于人眼目视分辨的0.03，满足高成像质量的使用需求。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (12)
1.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括：壳体，设置在壳体内的离轴光学系统，所述离轴光学系统包括自由曲面镜片、透镜组、图像显示器；
所述图像显示器上发出的图像光依次经所述透镜组的折射、所述自由曲面镜片的反射后进入到所述头戴式显示设备的佩戴者的眼中，从而使所述佩戴者观看到所述图像；
所述透镜组包括N个非球面透镜，任意相邻的两个所述非球面透镜离轴设置，其中，N为大于2且小于6的正整数；
所述N个非球面透镜还满足以下条件中的至少一个：
任意相邻的两个所述非球面透镜的离轴角度不大于30°；
任意相邻的两个所述非球面透镜之间的偏离距离不大于30mm。
2.如权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于，
所述自由曲面镜片相对于所述壳体离轴设置，所述自由曲面镜片的离轴角度为30°～50°。
3.如权利要求2所述的头戴式显示设备，其特征在于，
所述佩戴者观看所述图像时的对角线视场角为50°～60°；其中，所述对角线视场角为所述佩戴者观看所述图像时视线沿所述图像的对角线方向的最大视角。
4.如权利要求3所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述佩戴者观看所述图像时的水平视场角和垂直视场角的比例为5:4；其中，所述水平视场角为所述佩戴者观看所述图像时视线沿所述图像的水平方向的最大视角，所述垂直视场角为所述佩戴者观看所述反射图像时视线沿所述图像的垂直方向的最大视角。
5.如权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于，任意相邻的两个所述非球面透镜之间的最小空气间隔为1mm～10mm。
6.如权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述离轴光学系统的垂直高度为100mm～210mm。
7.如权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述离轴光学系统的出瞳距离不小于50mm。
8.如权利要求1至7中任一项所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述自由曲面镜片与所述透镜组的材质为树脂材料。
9.如权利要求1至7中任一项所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述N个非球面透镜中的其中一个为胶合透镜，所述胶合透镜由一个凸透镜和一个凹透镜胶合而成。
10.如权利要求9所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述透镜组包括3个非球面透镜，所述3个非球面透镜沿靠近所述自由曲面镜片的方向依次包括第一非球面透镜、第二非球面透镜和第三非球面透镜，其中，所述第一非球面透镜和所述第三非球面透镜为凸透镜，所述第二非球面透镜为所述胶合透镜。
11.如权利要求9所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述透镜组包括4个非球面透镜，所述4个非球面透镜沿靠近所述自由曲面镜片的方向依次包括第一非球面透镜、第二非球面透镜、第三非球面透镜和第四非球面透镜；
其中，所述第一非球面透镜为正透镜，所述第二非球面透镜和所述第四非球面透镜为凸透镜，所述第三非球面透镜为所述胶合透镜。
12.如权利要求9所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述透镜组包括5个非球面透镜，所述5个非球面透镜沿靠近所述自由曲面镜片的方向依次包括第一非球面透镜、第二非球面透镜、第三非球面透镜、第四非球面透镜和第五非球面透镜；
其中，所述第一非球面透镜和所述第五非球面透镜为正透镜，所述第二非球面透镜和所述第四非球面透镜为凸透镜，所述第三非球面透镜为所述胶合透镜。
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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