CN107608079A

CN107608079A - 头戴显示设备

Info

Publication number: CN107608079A
Application number: CN201711002564.9A
Authority: CN
Inventors: 杨春
Original assignee: Goertek Techology Co Ltd
Current assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2018-01-19
Also published as: KR102059761B1; US10606081B2; EP3702825A4; WO2019080260A1; EP3702825A1; JP6697559B2; EP3702825C0; US20190285892A1; JP2020504315A; EP3702825B1; KR20190057199A

Abstract

本发明提供一种头戴显示设备，包括：同轴依次设置的第一正透镜、第二正透镜以及微显示器件；其中，所述第一正透镜的入光面靠近所述第二正透镜的出光面，所述第二正透镜的入光面靠近所述微显示器件；所述第二正透镜的出光面为凸面菲涅尔面，所述第一正透镜的入光面为平面菲涅尔面。本发明提供的头戴显示设备，能够在减小体积的同时，有效地增大视场角。

Description

头戴显示设备

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域，尤其涉及一种头戴显示设备。

背景技术

VR(Virtual Reality，虚拟现实)技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，并通过多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该模拟环境中。随着技术的发展，VR头戴显示设备在诸如游戏，房地产，旅游等领域中有了广泛的应用。

目前，一种类型的VR头戴显示设备采用手机屏幕作为显示屏，受限于手机屏幕的尺寸(2～5英寸)，VR头戴显示设备的尺寸无法做到很小，不利于用户长时间佩戴以及携带。在另一种类型VR头戴显示设备中，采用微显示器件作为显示屏幕。在这种结构中，受限于微显示器件的尺寸(1英寸以下)，VR头戴显示设备具有较小的视场角，无法为用户带来较好的沉浸感。

因此，如何兼顾VR头戴显示设备的体积以及视场角，成为了亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的多个方面提供一种头戴显示设备，能够在减小体积的同时，有效地增大视场角。

本发明提供一种头戴显示设备，包括：

同轴依次设置的第一正透镜、第二正透镜以及微显示器件；

其中，所述第一正透镜的入光面靠近所述第二正透镜的出光面，所述第二正透镜的入光面靠近所述微显示器件；

所述第二正透镜的出光面为凸面菲涅尔面，所述第一正透镜的入光面为平面菲涅尔面。

进一步可选地，所述第一正透镜的出光面为平面衍射面。

进一步可选地，所述第二正透镜的入光面为凹非球面。

进一步可选地，所述微显示器件的显示屏的中心点到所述第一正透镜的出光面的中心点的距离TTL小于18mm。

进一步可选地，所述第一正透镜的中心点到人眼的距离T0满足如下条件：0.7TTL<T0<0.8TTL；所述第一正透镜的中心厚度T1满足如下条件：0.1TTL<T1<0.2TTL。

进一步可选地，所述第二正透镜的中心厚度T2满足如下条件：0.2TTL<T2<0.3TTL。

进一步可选地，所述设备的焦距F满足如下条件：0.8TTL<F<0.9TTL。

进一步可选地，所述第一正透镜的入光面的菲涅尔曲率半径R满足如下条件：-2F<R<-F。

进一步可选地，所述第一正透镜的焦距F1<2F，所述第二正透镜的焦距F2>2F。

进一步可选地，所述第一正透镜的折射率n1和色散v1满足如下条件：1.5＜n1＜1.55、55＜v1＜60；所述第二正透镜的折射率n2和色散v2满足如下条件：1.5＜n2＜1.55、55＜v1＜60。

在本发明中，采用两个正透镜作为头戴显示设备的目镜来观看微显示器件展示的虚拟场景，其中，靠近微显示器件的第二正透镜的出光面为凸面菲涅尔面，能够将折射至其上的屏幕光偏折为小角度光线照射在靠近人眼的第一正透镜的入光面上。该第一正透镜的入光面为平面菲涅尔面，能够将第二正透镜折射至其上的屏幕光进行整形并以设定的角度折射至人眼。在上述结构中，目镜配合微显示器件能够实现较短的轴向距离以及约90°的视场角，在减小头戴显示设备的体积的同时，有效地增大了设备的视场角。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施例提供的头戴显示设备的结构示意图；

图2a是本发明实施例提供的头戴显示设备在显示屏极限分辨率下的MTF曲线；

图2b是本发明实施例提供的头戴显示设备在显示屏1/2极限分辨率下的MTF曲线；

图3是本发明实施例提供的头戴显示设备的光学场曲和畸变的一示意图；

图4是本发明实施例提供的头戴显示设备的一点列图示意；

图5是本发明实施例提供的头戴显示设备的系统色差曲线的一示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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做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。

图1为本发明一实施例提供的头戴显示设备的结构示意图。如图1所示，该设备包括：

同轴依次设置的第一正透镜11、第二正透镜12以及微显示器件13。其中，第一正透镜11的入光面Si1靠近第二正透镜的出光面Se2，第二正透镜12的入光面Si2靠近微显示器件13。

其中，微显示器件13指的是有效显示面积在1英寸以下的显示器件，例如LCoS(Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶)、OLED(Organic Light-Emitting Diode,有机发光二极管)等。这些显示器件通常具有体积小以及重量轻的优势，在头戴显示设备中采用微显示器件能够有效缩小头戴显示设备的体积以及重量。

在上述结构中，微显示器件13展示图像时发出的屏幕光，经第二正透镜的入光面Si2入射至第二正透镜的出光面Se2上，由Se2偏折至第一正透镜的入光面Si1上，再经Si1整形后以设定角度折射至人眼。进而，人眼可看到微显示器件13所展示的图像。

其中，第二正透镜12的出光面Se2为凸面菲涅尔面。Se2具有大角度折光的作用，能够使得微显示器件13发出的发散角较大的光线，以较大的入射高度以及较小的发散角入射在第一正透镜11的入光面Si1上。进而，入射在Si1上的边缘光线以及主光线相对于人眼具有较大的张角以及较小的光线入射高度，实现了增大视场角的目的。

在一可选实施方式中，第一正透镜11的出光面Se1可以为平面衍射面。该平面衍射面上蚀刻有一定数量的狭缝，每个狭缝的宽度可以在1～2μm左右。该衍射面能够与折射面互相补偿光焦度，以减小系统的整体色差，提升成像清晰度。

在一可选的实施方式中，第二正透镜12的入光面Si2可以为凹非球面。一方面，将Si2设计成凹面，可确保第二正透镜12具有较高的集光效率，能够尽可能地接收并传递微显示器件13发出的大部分屏幕光。另一方面，凹非球面的曲率半径从中心到边缘连续发生特定变化，可以准确地控制每条出射光线的走向，使得光线偏折后到达第二正透镜12的出光面Se2上的目标位置。

在本实施例中，可选的，在确定对微显示器件13发出的屏幕光线的偏折度需求后，可进行反向设计，得到具有变化的曲率半径的凹非球面Si2。在一可选实施方式中，为保证加工及检测的便捷性，可设计Si2的面型为偶次非球面。Si2可如下所示的偶次非球面方程进行面型设计：

其中，z表示沿光轴方向的坐标，r为沿透镜高度方向的径向坐标；c为与非球面的中心点的曲率相关的二次项系数，c＝1/r₀，r₀为非球面中心点的曲率半径；k为圆锥系数，k＝-e²；a_i为各偶次项的系数。可选的，本实施例在实际设计时，可选取N＝4，也就是偶次项最高到8次方。

可选的，本实施例中也可以可设计Si2的面型为奇次非球面。Si2可如下所示的奇次非球面方程进行面型设计：

其中，β_i为各奇次项的系数。

如图1所示，定义微显示器件13的显示屏的中心点到第一正透镜11的出光面Se1的中心点的距离为TTL(total track length，光线追迹长度)。本实施例提供的头戴显示设备中，由于第一正透镜11以及第二正透镜12具有较强的折光能力，TTL可以达到18mm以下。相对于现有的头戴显示设备，本实施例中较小的TTL极大缩小了头戴显示设备的体积，使得头戴显示设备更加便携。

如图1所示，用户佩戴本实施例提供的头戴显示设备后，人眼所在的位置为光学系统的出瞳位置。定义第一正透镜11的中心点到人眼的距离为T0。为确保用户佩戴头戴显示设备之后，能够观看到效果较好的图像，可设置T0的长度满足如下条件：0.7TTL<T0<0.8TTL。可选的，考虑到不同用户的头型不同，该长度T0可通过在头戴显示设备上设置可调节的支撑部件来控制。

可选的，可设计第一正透镜11的中心厚度T1满足如下条件：0.1TTL<T1<0.2TTL；第二正透镜12的中心厚度T2满足如下条件：0.2TTL<T2<0.3TTL；设备的焦距F满足如下条件：0.8TTL<F<0.9TTL。可选的，可设计第一正透镜11的入光面Si1的菲涅尔曲率半径R满足如下条件：-2F<R<-F；第一正透镜11的焦距F1<2F，第二正透镜12的焦距F2>2F。例如，经反复优化，在微显示器件13的显示芯片像元尺寸为8.64um的情况下，可选取F＝14.5mm、F1＝25.8mm、F2＝34.3mm。

在本实施例中，上述的结构以及参数设计，能够使得头戴显示设备的光学系统的半视场角θ达到90°，也就是说tanθ在0.95到1.05之间。进而，用户佩戴头戴显示设备观看虚拟场景时，能够产生较深的沉浸感与真实感。

在一可选实施方式中，在加工第一正透镜11以及第二正透镜12时，可选用塑料材质。塑料材质易于加工，且其质量较轻，为头戴显示设备的小型化奠定了基础。其中，第一正透镜11的折射率n1和色散v1可满足如下条件：1.5＜n1＜1.55、55＜v1＜60；第二正透镜12的折射率n2和色散v2满足如下条件：1.5＜n2＜1.55、55＜v1＜60。可选的，在实际加工时，本实施例选用K26R型号的塑料材质加工第一正透镜以及第二正透镜。K26R型号的塑料材质的折射率为1.535，色散为55.6。

在本实施例中，采用两个正透镜作为头戴显示设备的目镜来观看微显示器件展示的虚拟场景，其中，靠近微显示器件的第二正透镜的出光面为凸面菲涅尔面，能够将折射至其上的屏幕光偏折为小角度光线照射在靠近人眼的第一正透镜的入光面上。该第一正透镜的入光面为平面菲涅尔面，能够将第二正透镜折射至其上的屏幕光进行整形并以设定的角度折射至人眼。在上述结构中，目镜配合微显示器件能够实现较短的轴向距离以及约90°的视场角，在减小头戴显示设备的体积的同时，有效地增大了设备的视场角。其次，第一正透镜以及第二正透镜的镜片形状易于加工和成型，满足了大视场角超薄无色差的目镜设计要求。另外，由两片透镜组成的目镜，结构简单，成产成本低。除此之外，在本实施例中，第一正透镜的出光面为衍射面，该颜色面的负色差良好地矫正了整体光学系统的色差，使得光学系统成像质量优良，图像清晰。

以下部分将结合表1以及表2，以一个具体的例子对本发明实施例提供的头戴显示设备的光学系统进行具体阐述。表1中展示了一种可行的设计结果，在表1中，Surface表示从人眼到显示屏依序编号的光学面，Type表示各光学面的面型，C表示各光学面的曲率、T表示各光学面与后一光学表面的距离，Glass表示各光学面的材质，Semi-Diameter表示各光学面的孔径，Conic表示二次曲面常量。

表1

在表1中，Surface1为人眼所在的平面、Surface2为第一正透镜11的出光面Se1、Surface3为第一正透镜11的入光面Si1、Surface4为第二正透镜12的出光面Se2、Surface5为第二正透镜12的入光面Si2、Surface6为微显示器件13的保护玻璃的出光面、Surface7为微显示器件13的保护玻璃的入光面、Surface8为微显示器件13的显示屏。

如表1所示，在一种可行的设计方式中，第一正透镜11的厚度为2.5mm，其出光面Se1的中心点至人眼的距离为14mm，其入光面Si1的菲涅尔曲率半径为-15.868mm。第二正透镜11的厚度为4mm,其出光面Se2的菲涅尔曲率半径为39.815mm且Se2与Si1的中心点之间的距离为0.5mm，入光面Si2的中心点的曲率半径为28.527。Si2与微显示器件13的显示屏之间的距离为10mm，显示屏的保护玻璃的厚度为0.5mm,显示屏的厚度为0.352mm。

在这样的设计中，光学系统的TTL＝2.5+0.5+4+10+0.5+0.325＝17.825mm，轴向长度相对于现有技术极大缩小。

在本设计中，偶次非球面系数α2、α3、α4可为如下表格所示：

表2

基于上述设计，可通过绘制MTF(Modulation Transfer Function，调制传递函数)曲线、光学场曲和畸变图、点列图以及色差曲线图来对设计得到的光学系统的成像质量进行分析。

图2a是本发明实施例提供的头戴显示设备在显示屏极限分辨率下的MTF曲线，图2b是在显示屏1/2极限分辨率下的MTF曲线。图2a以及图2b中，各种颜色分别代表各个视场光线，横坐标表示光学系统上的点到光学系统中心的距离，纵轴代表成像质量接近实物的百分比。MTF可以综合反映光学系统的成像质量，其曲线形状越平滑，且相对X轴的高度越高(即越接近1)，证明该光学系统的成像质量越好。在图2a以及图2b中，各种颜色的曲线较为平滑紧凑，曲线所表征的MTF值很高。图2b中，在显示屏1/2极限分辨率情况下，0.6视场以内的MTF都达到了0.2以上，说明光学系统的像差得到了良好的校正。

图3是本发明实施例提供的头戴显示设备的光学场曲和畸变的一示意图。图3的左图示意了场曲(Field Curvature)，其中，不同颜色代表不同的波长，实线表示为子午(tangential)场曲，虚线表示弧矢(sagittal)场曲，二者做差可得到光学系统的象散。象散和场曲是影响轴外视场光线的重要像差，象散过大会严重的影响到系统轴外光线的成像质量，场曲会造成中心和边缘最佳成像不在一个平面上。从图3的左图中可看出，本实施例提供的光学系统的场曲和象散均被校正到0.5mm以内。从图3的右图可以看出，本实施例提供的光学系统的畸变(F-Tan(theta)distortion)小于35％。

图4是本发明实施例提供的头戴显示设备的一点列图示意。点列图展示了光学系统的各个视场光线在像面处汇聚而形成的弥散光斑。点列图的RMS(Root Mean Square，均方根)半径越小，证明系统的成像质量越好。由图4可以看出，本实施例提供的光学系统的弥散斑的RMS直径均小于30um，说明像差校已得到非常好的校正。

图5是本发明实施例提供的头戴显示设备的系统色差曲线的一示意图。图5中，横轴表示色差，纵轴为视场角，曲线与纵轴的偏离程度表征色差的变化，偏离度越大，意味着色差越大。在图5中，最大半视场角(Maximum Field)为45°，色差能够控制在35um范围内。

需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种头戴显示设备，其特征在于，包括：

同轴依次设置的第一正透镜、第二正透镜以及微显示器件；

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一正透镜的出光面为平面衍射面。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二正透镜的入光面为凹非球面。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述微显示器件的显示屏的中心点到所述第一正透镜的出光面的中心点的距离TTL小于18mm。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述第一正透镜的中心点到人眼的距离T0满足如下条件：0.7TTL<T0<0.8TTL；

所述第一正透镜的中心厚度T1满足如下条件：0.1TTL<T1<0.2TTL。

6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述第二正透镜的中心厚度T2满足如下条件：0.2TTL<T2<0.3TTL。

7.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述设备的焦距F满足如下条件：0.8TTL<F<0.9TTL。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述第一正透镜的入光面的菲涅尔曲率半径R满足如下条件：-2F<R<-F。

9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述第一正透镜的焦距F1<2F，所述第二正透镜的焦距F2>2F。

10.根据权利要求1～8中任一项所述的设备，其特征在于，所述第一正透镜的折射率n1和色散v1满足如下条件：1.5＜n1＜1.55、55＜v1＜60；

所述第二正透镜的折射率n2和色散v2满足如下条件：1.5＜n2＜1.55、55＜v1＜60。