CN107632388A

CN107632388A - 目镜及头戴显示设备

Info

Publication number: CN107632388A
Application number: CN201711003312.8A
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: 2018-01-26
Anticipated expiration: 2037-10-24
Also published as: US20190353905A1; EP3702824A4; KR102084342B1; CA3008867A1; CN107632388B; WO2019080325A1; CA3008867C; JP6683814B2; EP3702824A1; KR20190057200A; US10928634B2; JP2020500318A

Abstract

本发明提供一种目镜及头戴显示设备，其中，目镜包括：同轴依次设置的正透镜以及负透镜；其中，所述正透镜的入光面为平面菲涅尔面，出光面为凸面；所述负透镜的入光面为凹面，出光面为凸面；待观测光线入射在所述负透镜的入光面上，由所述负透镜折射至所述正透镜的入光面，再经所述正透镜折射后进入人眼。本发明提供的目镜及头戴显示设备，实现了超薄目镜光学系统，有利于头戴显示设备更加小型化、轻量化。

Description

目镜及头戴显示设备

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域，尤其涉及一种目镜及头戴显示设备。

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使用的屏幕作为显示器件，这种屏幕的尺寸通常较大，在2～5英寸左右。现有的头戴显示设备中，与这种尺寸较大的显示器件配合的目镜光学系统，通常具有轴向距离长的特点。轴向距离长的目镜无法满足对头戴显示设备的轻薄化的需求。

发明内容

本发明的多个方面提供一种目镜及头戴显示设备，实现了超薄目镜光学系统，有利于头戴显示设备更加小型化、轻量化。

本发明提供一种目镜，包括：同轴依次设置的正透镜以及负透镜；

其中，所述正透镜的入光面为平面菲涅尔面，出光面为凸面；所述负透镜的入光面为凹面，出光面为凸面；

待观测光线入射在所述负透镜的入光面上，由所述负透镜折射至所述正透镜的入光面，再经所述正透镜出射。

进一步可选地，所述正透镜的出光面为凸非球面。

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

本发明实施例还提供一种头戴显示设备，包括本发明实施例提供的目镜以及与所述目镜同轴的显示器件；所述显示器件发出的屏幕光线经所述目镜折射后进入人眼。

进一步可选地，所述正透镜的出光面的中心点到所述显示器件的显示屏的中心点的距离TTL小于32mm。

进一步可选地，所述正透镜的中心点到人眼的距离T0满足如下条件：0.35TTL<T0<0.45TTL；所述正透镜的中心厚度T1满足如下条件：0.09TTL<T1<0.1TTL。

进一步可选地，所述负透镜的中心厚度T2满足如下条件：0.09TTL<T2<0.1TTL。

进一步可选地，所述设备的焦距F满足如下条件：0.9TTL<F<0.95TTL。

进一步可选地，所述正透镜的入光面的菲涅尔曲率半径R满足如下条件：-0.6F<R<-0.65F。

进一步可选地，所述负透镜的焦距满足如下条件：-700<F2<0；所述正透镜的焦距F1<F。

本发明提供的目镜及头戴显示设备中，采用结构简单的正、负透镜构成目镜光学系统。其中，正透镜的出光面为凸面，入光面为平面菲涅尔面；负透镜的入光面为凹面，出光面为凸面。这样的目镜结构，在确保正、负透镜的光学性能良好的情况下，极大减小了透镜的厚度，实现了超薄目镜光学系统，有利于头戴显示设备更加小型化、轻量化。

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1a为本发明一实施例提供的目镜的结构示意图；

图1b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器件极限分辨率下的MTF曲线；

图2b是本发明实施例提供的头戴显示设备在显示器件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1a为本发明一实施例提供的目镜的结构示意图。如图1a所示，该目镜的光学系统包括：

同轴依次设置的正透镜11以及负透镜12，正透镜11的入光面Si 1靠近负透镜的出光面Se2。

其中，负透镜12的入光面Si2为凹面，出光面Se2为凸面。当待观测光线入射时，Si2为凹面可确保负透镜12具有较高的集光效率，能够尽可能地接收并传递待观测光线。Se2为凸面，具有大角度折光的作用，能够使得发散角较大的光线，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。

其中，正透镜11的入光面Si1为平面菲涅尔面，出光面Se1为凸面。当有光线入射在Si1上时，Si1可收集入射至其上的光线，对该光线整形并以要求的角度到达Se1。Se1为凸面，具有大角度折光的作用，能够进一步增大视场角。

可选的，Se1可以设计为凸非球面。凸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，使得出射光线以设定的角度出射至人眼处，以在增大视场角的同时进行像差的校正。

在本实施例中，可选的，在确定像差校正需求以及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凸非球面Se1。在一可选实施方式中，为保证加工及检测的便捷性，可设计Se1的面型为偶次非球面。Se1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＝3，也就是偶次项最高到6次方。

可选的，本实施例中也可以可设计Se1的面型为奇次非球面。Se1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。

在一可选实施方式中，在加工正透镜11以及负透镜12时，可选用塑料材质。塑料材质易于加工，且其质量较轻，为目镜光学系统的轻量化奠定了基础。其中，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；负透镜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正透镜以及负透镜。K26R型号的塑料材质的折射率为1.535，色散为55.6。

本实施例提供的目镜，由结构简单的正、负透镜构成。其中，正透镜的出光面为凸面，入光面为平面菲涅尔面；负透镜的入光面为凹面，出光面为凸面。这样的目镜结构，在确保正、负透镜的光学性能良好的情况下，极大减小了透镜的厚度，实现了超薄目镜光学系统，有利于头戴显示设备更加小型化、轻量化。其次，正透镜11的出光面为凸非球面，在一定程度上校正了整体目镜光学系统的像差，使得目镜成像质量优良，图像清晰。除此之外，由正负透镜组成的目镜，能够校正目镜整体光学系统的色差，提高成像质量，且具有结构简单以及成本低的优势。

图1b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1b所示，该头戴显示设备包括：

同轴依次设置的正透镜11、负透镜12以及显示器件13。其中，正透镜11的入光面Si1靠近负透镜的出光面Se2，负透镜的入光面Si2靠近显示器件13。

可选的，在本实施例中，显示器件13可以是尺寸较大的显示器件，例如手机的显示器件或LCD(Liquid Crystal Display,液晶显示器件)等。

如图1b所示，定义显示器件13的显示屏的中心点到正透镜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，由于正透镜11以及负透镜12具有较强的折光能力以及较薄的体积，TTL可以达到32mm以下。相对于现有的采用大显示屏的头戴显示设备，本实施例中较小的TTL极大缩小了头戴显示设备的体积。

如图1b所示，用户佩戴本实施例提供的头戴显示设备后，人眼所在的位置为目镜光学系统的出瞳位置。定义正透镜11的出光面Se1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：0.35TTL<T0<0.45TTL。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，在本实施例中，为确保目镜中的两个透镜具有较薄的厚度以及较好的光学性能，可设计正透镜11的中心厚度T1满足如下条件：0.09TTL<T1<0.1TTL；负透镜12的中心厚度T2满足如下条件：0.09TTL<T2<0.1TTL；设备的焦距F满足如下条件：0.9TTL<F<0.95TTL。可选的，可设计正透镜11的入光面Si1的菲涅尔曲率半径R满足如下条件：-0.6F<R<-0.65F；正透镜11的焦距F1<F，负透镜12的焦距-700<F2<0。例如，经反复优化，在显示器件13的显示芯片像元尺寸为39um的情况下，可选取F＝29.24mm、F1＝28.78mm、F2＝-677.6mm。

在本实施例中，上述的结构以及参数设计，能够使得目镜光学系统的半视场角θ达到98°左右，也就是说tanθ在1.1到1.2之间。进而，用户佩戴头戴显示设备观看虚拟场景时，佩戴压力小，且能够产生较深的沉浸感与真实感。

在本实施例中，目镜配合显示器件能够实现较短的轴向距离以及约98°的视场角，在保证头戴显示设备具有足够大的视场角的同时，使其更加小型化以及轻量化。

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表示从人眼到显示器件依序编号的光学面，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为正透镜11的出光面Se1、Surface3为正透镜11的入光面Si1、Surface4为负透镜12的出光面Se2、Surface5为负透镜12的入光面Si2、Surface6为显示器件13的显示屏。

如表1所示，在一种可行的设计方式中，正透镜11的厚度为3mm，其出光面Se1的中心点至人眼的距离为13mm，Se1的中心点的曲率半径为118.402mm，Si1的菲涅尔曲率半径为-17.642。负透镜12的厚度为3mm,其出光面Se2的中心点的曲率半径为53.788mm，且Se2与Si1的中心点之间的距离为2.272mm，入光面Si2的中心点的曲率半径为45.955mm。Si2与显示器件13的显示屏之间的距离为23.748mm，显示器件的厚度为26.23mm。

在这样的设计中，光学系统的TTL＝3+2.26+3+23.74＝32mm，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

Surface	α₂	α₃
			1	0.00E+00	0.00E+00
2	0.00E+00	0.00E+00
			3	-3.70E-06	-3.73E-09
4	2.92E-05	-4.83E-08
			5	3.59E-05	-5.87E-08
6	0.00E+00	0.00E+00
			7	0.00E+00	0.00E+00
8	0.00E+00	0.00E+00

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目镜光学系统在显示器件极限分辨率下的MTF曲线，图2b是在显示器件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，在显示器件1/2极限分辨率情况下，0.6视场以内的MTF都达到了0.4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目镜光学系统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25％。

图4是本发明实施例提供的目镜光学系统的一点列图示意。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120um，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目镜光学系统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49°，色差能够控制在350um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

1.一种目镜，其特征在于，包括：

同轴依次设置的正透镜以及负透镜；

2.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于，所述正透镜的出光面为凸非球面。

3.根据权利要求1或2所述的目镜，其特征在于，所述正透镜的折射率n1和色散v1满足如下条件：1.5＜n1＜1.55、55＜v1＜60；

所述负透镜的折射率n2和色散v2满足如下条件：1.5＜n2＜1.55、55＜v2＜60。

4.一种头戴显示设备，其特征在于，包括权利要求1～3中任一项所述的目镜，以及与所述目镜同轴的显示器件；

所述显示器件发出的屏幕光线经所述目镜折射后进入人眼。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述正透镜的出光面的中心点到所述显示器件的显示屏的中心点的距离TTL小于32mm。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述正透镜的中心点到人眼的距离T0满足如下条件：0.35TTL<T0<0.45TTL；

所述正透镜的中心厚度T1满足如下条件：0.09TTL<T1<0.1TTL。

7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述负透镜的中心厚度T2满足如下条件：0.09TTL<T2<0.1TTL。

8.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述设备的焦距F满足如下条件：0.9TTL<F<0.95TTL。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述正透镜的入光面的菲涅尔曲率半径R满足如下条件：-0.6F<R<-0.65F。

10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述负透镜的焦距满足如下条件：-700<F2<0；所述正透镜的焦距F1<F。