CN109143570A - 一种目镜及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种目镜及头戴显示设备，其中，该目镜包括凸透镜和凹透镜，所述凸透镜依次包括凸向所述光阑的第一表面和凸向所述显示屏的第二表面；所述凹透镜依次包括凹向所述显示屏的第三表面和凹向所述光阑的第四表面。本发明实施例提供的目镜结构包括凸透镜和凹透镜，其中，凸透镜能够放大视场角，保证观看VR视频时的沉浸感，凹透镜能够校正因凸透镜放大视场角带来的畸变，并补偿边缘视场边缘光线经过凸透镜后带来的像散、慧差、球差和色差，从而使图像变得清晰无变形，提升了用户体验。

Description

一种目镜及头戴显示设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种目镜和一种头戴显示设备。

背景技术

头戴显示设备的工作原理是，微显示屏上的图像经过目镜放大后投影到人眼视网膜，为用户营造大屏幕观影或浏览图文信息的体验效果。头戴显示设备可以用于观看VR(Virtual Reality，虚拟现实)视频、3D视频、蓝光视频等。

目前，头戴显示设备上使用的目镜大多由一个透镜构成，为保证观看VR视频时的沉浸感，需要将视场角做大，但是视场角变大会导致较大的畸变，并且边缘视场图像模糊，画面质量较差，而使用该头戴显示设备观看3D视频或蓝光视频等非VR视频时，由于较大的视场角和模糊的边缘视场图像会使得用户体验效果更差。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题是提供一种目镜结构，至少解决使用现有目镜观看VR视频时，畸变较大，边缘视场图像模糊，画面质量差的问题。

为了解决上述问题，本发明公开了一种目镜，在从光阑至显示屏的方向上依次包括：凸透镜和凹透镜。

进一步地，在从所述光阑至显示屏的方向上，

所述凸透镜依次包括凸向所述光阑的第一表面和凸向所述显示屏的第二表面；

所述凹透镜依次包括凹向所述显示屏的第三表面和凹向所述光阑的第四表面。

进一步地，所述第一表面和所述第二表面中至少有一个表面为非球面；所述第三表面和所述第四表面中至少有一个表面为非球面。

进一步地，所述凸透镜的折射率Nd1满足1.42<Nd1<1.56，所述凸透镜的色散系数Vd1满足50<Vd1<65；

所述凹透镜的折射率Nd2满足1.5<Nd2<1.68，所述凹透镜的色散系数Vd2满足20<Vd2<40。

进一步地，所述目镜的焦距可调。

进一步地，通过调节所述凹透镜与所述显示屏的间隔，所述目镜的焦距可在28mm至80mm范围内进行调节。

进一步地，所述凸透镜上的面向所述显示屏的表面的中心与所述凹透镜上的面向所述光阑的表面的中心的间隔可在18.32mm至28.72mm的范围内进行调节。

进一步地，所述凸透镜上的面向所述光阑的表面的中心与所述光阑的间隔不大于20mm。

进一步地，所述凸透镜采用玻璃材质或树脂材质；所述凹透镜采用树脂材质。

本发明实施例还提供了一种头戴显示设备，包括光阑、显示屏和上述所述的目镜；

所述目镜在从所述光阑至所述显示屏的方向上依次包括：凸透镜和凹透镜。

与现有技术相比，本发明实施例包括以下优点：

本发明实施例提供的目镜结构包括凸透镜和凹透镜，凸透镜能够放大视场角，保证观看VR视频时的沉浸感，凹透镜能够校正因凸透镜放大视场角带来的畸变，并补偿边缘视场边缘光线经过凸透镜后带来的像散、慧差、球差和色差，从而使图像变得清晰无变形，提升了用户体验。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种目镜的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的短焦目镜的光线追迹图；

图3为本发明实施例提供的短焦目镜在像方视场为0.0mm时的点列图；

图4为本发明实施例提供的短焦目镜在像方视场为20mm时的点列图；

图5为本发明实施例提供的短焦目镜在像方视场为28mm时的点列图；

图6为本发明实施例提供的短焦目镜的畸变曲线图；

图7为本发明实施例提供的长焦目镜的光线追迹图；

图8为本发明实施例提供的长焦目镜在像方视场为0.0mm时的点列图；

图9为本发明实施例提供的长焦目镜在像方视场为20mm时的点列图；

图10为本发明实施例提供的长焦目镜在像方视场为28mm时的点列图；

图11为本发明实施例提供的短焦目镜的畸变曲线图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，示出了本发明实施例提供的一种目镜的结构示意图，该目镜可以应用于头戴显示设备，在从光阑1至显示屏4的方向上依次包括：凸透镜2和凹透镜3。

该凸透镜2用于承担大部分屈光度，起到放大视场角的作用，该凹透镜3用来校正因凸透镜2放大视场角带来的像差和畸变，从而保证在观看VR视频时，既可以获得良好的沉浸感，又可以能到清晰的画面。

凸透镜2依次包括凸向所述光阑1的第一表面和凸向所述显示屏4的第二表面。

所述凹透镜3依次包括凹向所述显示屏4的第三表面和凹向所述光阑1的第四表面。

所述第一表面和所述第二表面中至少有一个表面为非球面；所述第三表面和所述第四表面中至少有一个表面为非球面。

在具体实现中，第一表面可以为非球面，第二表面可以为球面，第三表面可以为球面，第四表面可以为非球面。

在本发明中，凸透镜2的折射率Nd1满足1.42<Nd1<1.56，凸透镜2的色散系数Vd1满足50<Vd1<65；所述凹透镜3的折射率Nd2满足1.5<Nd2<1.68，所述凹透镜3的色散系数Vd2满足20<Vd2<40。

优选地，凸透镜2的折射率为1.492，色散系数为57.327；凹透镜3的折射率为1.586，色散系数为29.931。

在本发明实施例的一种优选示例中，凸透镜2的第一表面中心点的曲率半径为54.05mm，第二表面的曲率半径23.39mm，第一表面的中心与第二表面的中心的间隔为8.56mm；

凹透镜3的第三表面的曲率半径为20.09mm，第四表面中心点的曲率半径149.96mm，第三表面的中心与第四表面的中心的间隔为2.48mm。

凸透镜2上的面向所述光阑1的表面，即第一表面的中心与所述光阑1的间隔为不大于20mm，优选地，可以为15mm。

进一步地，第一表面的圆锥系数为-17.867，第四表面的圆锥系数为1.75。

非球面面型为偶次非球面，面型公式如下：

其中，z表示非球面的矢高，c为非球面中心点处的曲率，r代表非球面的径向坐标，k为非球面的圆锥系数，α_i代表2i阶非球面系数。

在具体实现中，第四表面的4阶非球面系数可以为-4.4268E-006，6阶非球面系数可以为7.751E-009，8阶非球面系数可以为-5.8154E-012。

本发明实施例的所述目镜的焦距可调，具体地，可以通过调节凹透镜3的位置实现。在具体实现中，可以将凹透镜3安装在可移动支架上，并通过螺纹或轴承带动可移动支架沿光轴方向进行水平移动。

需要说明的是，本发明实施例不对调节凹透镜3移动的方式进行限制。

通过调节所述凹透镜3与所述显示屏4的间隔，所述目镜的焦距可在28mm至80mm范围内进行调节。相应地，凸透镜2上的面向所述显示屏4的表面的中心，即第二表面的中心，与所述凹透镜3上的面向所述光阑1的表面的中心，即第三表面的中心的间隔可在18.32mm至28.72mm的范围内进行调节。

当凹透镜3向显示屏4的方向移动时，焦距变小，视场角增大，变为短焦目镜，短焦目镜比较适合观看VR视频。如图2所示的短焦目镜的光线追迹图，当该目镜用于观看VR视频时，凸透镜2用于承担大部分屈光度，起到放大视场角的作用，凹透镜3用来校正因凸透镜2放大视场角带来的畸变或其他像差，并能够补偿边缘视场边缘光线经过凸透镜后2带来的像散、慧差、球差和色差，使画面更加清晰，从而保证在观看VR视频时，既可以获得良好的沉浸感，又可以得到质量较高的画面。

在具体实现中，可以通过凸透镜2校正中心视场的相差，然后再由凹透镜3通过调整边缘视场主光线的偏折来校正边缘视场的相差。

本发明实施例提供的目镜可以根据客户的不同需求，将视场角调节到合适的大小，从而既可以保证观看VR时的沉浸感，又可以避免较明显的晶格。

本发明实施例提供的目镜的最大像方视场可以为28mm。图3为本发明实施例提供的短焦目镜在像方视场为0.0mm时的点列图；图4为本发明实施例提供的短焦目镜在像方视场为20mm时的点列图；图5为本发明实施例提供的短焦目镜在像方视场为28mm时的点列图。

根据图3至图5中得到的像点尺寸，可以得到对应的像点均方根半径，像点均方根半径R_rms定义如下：

其中，R_i代表第i束光线会聚成像点的几何半径；N为像点数量，取决于光线追迹的数量。

像点均方根半径可以反映物点在经过光学系统后的能量会聚情况，像点均方根半径越小，说明能量越集中，实际像点越接近理论像点。根据像点均方根半径的计算公式，可以得到图3至图5对应的像点均方根半径依次为36um、73um、84um。像点均方根半径均小于180，说明短焦目镜在全视场范围内形成的图像清晰。

图6为本发明实施例提供的短焦目镜的畸变曲线图，图中曲线对应的光波波长是0.588um，由图6可知，全视场畸变约3％，图像无明显变形。

当凹透镜3向凸透镜2的方向移动时，焦距变大，视场角减小，变为长焦目镜，如图7所示，为长焦目镜的光线追迹图。长焦目镜比较适合观看其他非VR视频，例如3D视频和蓝关视频。该目镜可以根据个人的视觉感受，将调整凹透镜3调整到合适的位置，由于视场角的减小，避免了较大的畸变，并且使画面更加清晰，且晶格不明显，提升了用户体验。

图8为本发明实施例提供的长焦目镜在像方视场为0.0mm时的点列图；图9为本发明实施例提供的长焦目镜在像方视场为20mm时的点列图；图10为本发明实施例提供的长焦目镜在像方视场为28mm时的点列图。根据像点均方根半径R_rms的计算公式，可以得到图8至图10对应的像点均方根半径依次为21um、92um、152um。像点均方根半径均小于180，说明长焦目镜在全视场范围内形成的图像清晰。

图11为本发明实施例提供的短焦目镜的畸变曲线图，图中曲线对应的光波波长是0.588um，由图11可知，全视场畸变约3％，图像无明显变形。

在本发明实施例中，凸透镜2可以采用玻璃材质或树脂材质；凹透镜3可以采用玻璃材质或树脂材质。凸透镜2或凹透镜3采用树脂材质可以减轻目镜的重量，增加佩戴者的舒适度。

综上所述，本发明实施例提供的目镜包括凸透镜2和凹透镜3，通过调节目镜的焦距，既能够用于观看VR视频，又能够用于观看非VR视频，在观看VR视频时既可以获得良好的沉浸感，又可以得到清晰无变形的画面，在观看非VR视频也能够保证清晰无变形的画面，且晶格不明显。

本发明实施例还提供了一种头戴显示设备，该头戴显示设备包括光阑1、显示屏4和如上所述的目镜，所述目镜在从所述光阑1至所述显示屏4的方向上依次包括：凸透镜2和凹透镜3。

该头戴显示设备中的目镜与图1所示的目镜结构相同或相近，具体结构可以参考图1所示的目镜结构。

该显示屏4的尺寸可以取2.5英寸至5.7英寸之间的任一值。该显示设备可以选择单屏显示，也可以选择双屏显示。

优选地，本发明实施例中的显示屏4为5.5英寸，光阑1直径为6mm。

本发明实施例提供的头戴显示设备中的目镜包括凸透镜和凹透镜，通过调节目镜的焦距，既能够用于观看VR视频，又能够用于观看非VR视频，在观看VR视频时既可以获得良好的沉浸感，又可以得到清晰无变形的画面，在观看非VR视频也能够保证清晰无变形的画面，且晶格不明显。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做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实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者终端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、物品或者终端设备所固有的要素。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、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种目镜结构和一种头戴显示设备，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种目镜，其特征在于，在从光阑至显示屏的方向上依次包括：凸透镜和凹透镜。

2.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于，在从所述光阑至显示屏的方向上，

所述凸透镜依次包括凸向所述光阑的第一表面和凸向所述显示屏的第二表面；

所述凹透镜依次包括凹向所述显示屏的第三表面和凹向所述光阑的第四表面。

3.根据权利要求2所述的目镜，其特征在于，所述第一表面和所述第二表面中至少有一个表面为非球面；所述第三表面和所述第四表面中至少有一个表面为非球面。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的目镜，其特征在于：

所述凸透镜的折射率Nd1满足1.42<Nd1<1.56，所述凸透镜的色散系数Vd1满足50<Vd1<65；

所述凹透镜的折射率Nd2满足1.5<Nd2<1.68，所述凹透镜的色散系数Vd2满足20<Vd2<40。

5.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于，所述目镜的焦距可调。

6.根据权利要求5所述的目镜，其特征在于，通过调节所述凹透镜与所述显示屏的间隔，所述目镜的焦距可在28mm至80mm范围内进行调节。

7.根据权利要求5所述的目镜，其特征在于，所述凸透镜上的面向所述显示屏的表面的中心与所述凹透镜上的面向所述光阑的表面的中心的间隔可在18.32mm至28.72mm的范围内进行调节。

8.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于，所述凸透镜上的面向所述光阑的表面的中心与所述光阑的间隔不大于20mm。

9.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于，所述凸透镜采用玻璃材质或树脂材质；所述凹透镜采用树脂材质。

10.一种头戴显示设备，其特征在于，包括光阑、显示屏和权利要求1-9中任一项所述的目镜；

所述目镜在从所述光阑至所述显示屏的方向上依次包括：凸透镜和凹透镜。