CN110596898B

CN110596898B - 一种一屏双目式头戴显示光学系统及设备

Info

Publication number: CN110596898B
Application number: CN201910934457.2A
Authority: CN
Inventors: 曹鸿鹏; 郭健飞; 彭华军
Original assignee: Shenzhen Ned Optics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Ned Optics Co Ltd
Priority date: 2019-09-29
Filing date: 2019-09-29
Publication date: 2024-03-12
Anticipated expiration: 2039-09-29
Also published as: CN110596898A

Abstract

本发明涉及一种一屏双目式头戴显示光学系统及设备,该光学系统运用的传统物镜、目镜的成像原理，新异的进行合理的搭建，构成一种新型的头戴显示光路结构，通过合理运用第二透镜组及半透半反偏转光学器件，进行与传统目镜结构搭建完全不一样方法，创新性地将整个头戴显示地光学系统进行物镜，目镜地搭建，一方面保证高质量的成像效果，另一方面增加整体光学结构的总长，达到与传统双目镜光学系统、双微显示变完全不同地双光学系统、单微显示屏的结构。同时，本发明的一屏双用目式头戴显示光路，在头戴显示产品及类似产品上也大大降低了双屏在两眼在视觉上的差异，进一步提高了头戴显示产品的用户体验。

Description

一种一屏双目式头戴显示光学系统及设备

技术领域

本发明涉及头戴显示设备光学系统，更具体地说，涉及一种一屏双目式头戴显示光学系统及设备。

背景技术

随着智能头戴设备地不断地发展，消费市场对头戴及类似产品地要求不断地提高，传统光学结构地瓶颈日益明显，对新型结构地出现地声音不断地加强。

现有的光学结构像质不高、存在畸变以及视场角不够大，本发明就是利用在传统双屏双目镜地光学结构基础上，进行大胆创新性地进行设计改造，一方面保证高质量的成像效果，另一方面增加整体光学结构的总长，达到与传统双目镜光学系统、双微显示变完全不同地双光学系统、单微显示屏的结构。同时，本发明在头戴显示产品及类似产品上也大大降低了双屏在两眼在视觉上的差异，进一步提高了头戴显示产品的用户体验。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于现有的光学结构像质不高、存在畸变以及视场角不够大，针对现有技术的上述缺陷，提供一种一屏双目式头戴显示光学系统及设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

构造一种一屏双目式头戴显示光学系统，包括从人眼观测侧到微型显示器件之间沿光轴方向依次排列的是第一透镜组、全反射偏转光学器件、第二透镜组以及半透半反偏转光学器件；所述第一透镜组、全反射偏转光学器件、第二透镜组以及半透半反偏转光学器件均沿微型显示器件的中轴线对称设置；其中，位于微型显示器件一侧的第一透镜组、全反射偏转光学器件、第二透镜组、半透半反偏转光学器件与微型显示器件形成左眼光路，位于微型显示器件另一侧的第一透镜组、全反射偏转光学器件、第二透镜组以及半透半反偏转光学器件形成右眼光路；

所述第一透镜组内最靠近人眼一侧的光学面与所述第一透镜组内距离人眼最远一侧的光学面之间的距离为W1，所述第二透镜组内最靠近人眼一侧的光学面与所述第二透镜组内距离人眼最远一侧的光学面之间的距离为W2，且W1、W2满足下列关系式(1)、(2)：

0<W1<60 (1)；

0<W2<32 (2)。

进一步地，所述第一透镜组最靠近第二透镜组一侧的光学面与所述第二透镜组最靠近第一透镜组一侧的光学面的距离为D1，所述第二透镜组最靠近微型显示器件一侧的光学面与微型显示器件的距离为D2，且D1、D2满足下列关系式(3)、(4)：

10<D1<60 (3)；

15<D2 (4)。

进一步地，所述全反射偏转光学器件的光学面与光轴的夹角为θ1；所述半透半反偏转光学器件的光学面与光轴的夹角为θ2，且θ1与θ2之间的关系满足下列关系式(5)：

θ1+θ2＝90° (5)。

进一步地，所述第一透镜组的焦距为F1，所述第二透镜组的焦距为F2，光学系统的总焦距为F，且F1、F2与F满足下列关系式(6)、(7)：

-2<F1/F<0 (6)；

F2/F<0 (7)。

进一步地，所述第一透镜组与所述第二透镜组内的光学透镜采用的光学材质为塑胶、树脂或玻璃材质。

进一步地，所述第一透镜组与所述第二透镜组内光学透镜的光学面为光学球面面型、非球面面型、菲涅尔面型或二元面面型。

进一步地，所述第一透镜组与所述第二透镜组内光学面所采用的菲涅尔面型及二元面面型为平面基底、球面基底或非球面基底。

本发明提供一种一屏双目式头戴显示光学设备，包括微型显示器件，还包括如前述中任一项所述的光学系统，将微型显示器件所显示的画面以高像质，低畸变，大视场角的特点投射到人眼中。

进一步地，所述微型显示器件为有机电致发光器件或透射式液晶显示器。

本发明的有益效果在于：通过合理运用第二透镜组及半透半反偏转光学器件，进行与传统目镜结构搭建完全不一样方法，创新性地将整个头戴显示地光学系统进行物镜、目镜的搭建，一方面保证高质量的成像效果，另一方面增加整体光学系统的总长，达到与传统双目镜光学系统、双微显示变完全不同的双光学系统、单微显示屏的结构。同时，本发明的一屏双目式头戴显示光学系统，在头戴显示产品及类似产品上也大大降低了双屏在两眼在视觉上的差异，进一步提高了头戴显示产品的用户体验。

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是本发明中的一种一屏双目式头戴显示光学系统的结构示意图；

图2是本发明第一实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统单目结构示意图；

图3是本发明第一实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统双目结构示意图；

图4是本发明第一实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统弥散斑示意图；

图5是本发明第一实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统畸变示意图；

图6是本发明第一实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统传递函数(MTF)示意图；

图7是本发明第二实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统单目结构示意图；

图8是本发明第二实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统双目结构示意图；

图9是本发明第二实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统弥散斑示意图；

图10是本发明第二实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统畸变示意图；

图11是本发明第二实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统传递函数(MTF)示意图；

图12是本发明第三实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统单目结构示意图；

图13是本发明第三实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统双目结构示意图；

图14是本发明第三实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统弥散斑示意图；

图15是本发明第三实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统畸变示意图；

图16是本发明第三实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统传递函数(MTF)示意图；

图17是本发明第四实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统单目结构示意图；

图18是本发明第四实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统双目结构示意图；

图19是本发明第四实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统弥散斑示意图；

图20是本发明第四实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统畸变示意图；

图21是本发明第四实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统传递函数(MTF)示意图；

图22是本发明第一实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统双目结构示意图；

图23是本发明第四实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统双目结构示意图；

图24是本发明第四实施例的一种一屏双目式头戴显示光学系统双目结构示意图。

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。

构造一种一屏双目式头戴显示光学系统，包括从人眼观测侧到微型显示器件之间沿光轴方向依次排列的是第一透镜组A1、A1’、全反射偏转光学器件L1、L1’、第二透镜组A2、A2’以及半透半反偏转光学器件L2、L2’；第一透镜组A1、A1’、全反射偏转光学器件L1、L1’、第二透镜组A2、A2’以及半透半反偏转光学器件L2、L2’均沿微型显示器件的中轴线对称设置；其中，位于微型显示器件一侧的第一透镜组A1、全反射偏转光学器件L1、第二透镜组A2、半透半反偏转光学器件L2与微型显示器件形成左眼光路，位于微型显示器件另一侧的第一透镜组A1’、全反射偏转光学器件L1’、第二透镜组A2’以及半透半反偏转光学器件L2’形成右眼光路；

第一透镜组至少包含一片光学透镜；第二透镜组至少包含一片光学透镜；第一透镜组内最靠近人眼一侧的光学面与第一透镜组内距离人眼最远一侧的光学面之间的距离为W1，第二透镜组内最靠近人眼一侧的光学面与第二透镜组内距离人眼最远一侧的光学面之间的距离为W2，且W1、W2满足下列关系式(1)、(2)：

0<W1<60 (1)；

0<W2<32 (2)；

即W1值可取为2、5、15、25、37、44、51、57、60等等；

W2值可取为3.5、7.3、13、15、17、23、25、31、32等等。

上述实施例中，通过合理运用第二透镜组及半透半反偏转光学器件，进行与传统目镜结构搭建完全不一样方法，创新性地将整个头戴显示地光学系统进行物镜、目镜的搭建，一方面保证高质量的成像效果，另一方面增加整体光学系统的总长，达到与传统双目镜光学系统、双微显示变完全不同的双光学系统、单微显示屏的结构。

在进一步的实施例中，第一透镜组A1、A1’最靠近第二透镜组A2、A2’一侧的光学面与第二透镜组A2、A2’最靠近第一透镜组A1、A1’一侧的光学面的距离为D1，第二透镜组A2、A2’最靠近微型显示器件一侧的光学面与微型显示器件的距离为D2，且D1、D2满足下列关系式(3)、(4)：

10<D1<60 (3)；

15<D2 (4)；

即D1值可取为10、11、13、15、21、25、33、45、47、52、58、60等等；

D2值可取为15、15.5、17、18、25、39、53、66、75、82等等。

在进一步的实施例中，全反射偏转光学器件L1、L1’的光学面与光轴的夹角为θ1；半透半反偏转光学器件L2、L2’的光学面与光轴的夹角为θ2，且θ1与θ2之间的关系满足下列关系式(5)：

θ1+θ2＝90° (5)。

在进一步的实施例中，第一透镜组A1、A1’的焦距为F1，第二透镜组A2、A2’的焦距为F2，光学的总焦距为F，且F1、F2与F满足下列关系式(6)、(7)：

-2<F1/F<0 (6)；

F2/F<0 (7)；

即F1/F值可取为-2、-1.998、-1.543、-1.334、-1.235、-0.983、-0.834、-0.342等等；

F2/F值可取为-0.342、-1.983、-8.543、-11.998、-13.452、-25.567等等。

在进一步的实施例中，第一透镜组A1、A1’与第二透镜组A2、A2’内的光学透镜采用的光学材质为塑胶、树脂或玻璃材质。

在进一步的实施例中，第一透镜组A1、A1’与第二透镜组A2、A2’内光学透镜的光学面为光学球面面型、非球面面型、菲涅尔面型或二元面面型。

在进一步的实施例中，第一透镜组A1、A1’与第二透镜组A2、A2’内光学面所采用的菲涅尔面型及二元面面型为平面基底、球面基底或非球面基底。下面结合具体实施方式，对本发明进一步说明。

实施例一

实施例一的结构数据如下表所示：

表1实施一的结构数据

图2、3示意图为实施例一的2D光学结构图及实际产品构建图，如图2所示，由从人眼观测侧到微型显示器件之间沿光轴方向依次排列的是第一透镜组A1、A1’、至少两片全反射偏转光学器件L1、L1’、第二透镜组A2、A2’以及至少两片半透半反偏转光学器件L2、L2’组成，其中全反射偏转光学器件L1、L1’位于第一透镜组A1、A1’与第二透镜组A2、A2’之间的位置，半透半反偏转光学器件L2、L2’位于第二透镜组A2、A2’与微型显示器件之间。该结构特点是第一透镜组A1、A1’采用了传统的光学球面和偶次非球面光学面，第二透镜组A2、A2’采用了光学球面和偶次非球面和其中第17个光学面为二元光学面，二元面面型参数如下表所示：

表2二元面面型参数

且第一目镜组A1、A1’由五片光学透镜组成，第二物镜组A2、A2’由两片光学透镜组成。如图2、21所示，该头戴光学系统由一片微型显示器件实现沉浸式效果，两种结构得主要区别在于全反射偏转光学器件L1、L1’和半透半反偏转光学器件L2、L2’的光学面与光轴的夹角分别为θ1、θ2，θ1和θ2角的大小的不同，图3都为45度，图22为32度、58度，故单个结构中的θ1与θ2之和为90度。

图4、图5和图6分别为实施例一的光学系统的弥散斑阵列示意图、畸变图和传递函数MTF示意图，从图中可以看出，在保证大视场角度(44度)的同时，各个视场光线在像平面(显示器件)的弥散斑半径小而均匀，不同波长光线在同个视场聚焦形成的弥散斑错位程度低，光学传递函数MTF各视场的在频率为10的时候分辨率达到了0.95以上，光学系统像差得到良好校正，通过目镜光学系统可观察到整体全画幅高清、无失真、均匀、高光学性能的显示画像，达到高临场感的视觉体验。

实施例二

实施例二的结构数据如下表所示：

表3实施二结构数据

图7示意图为实施例二的2D光学结构图及实际产品构建图，如图7所示由从人眼观测侧到微型显示器件之间沿光轴方向依次排列的是第一透镜组A1、A1’、至少两片全反射偏转光学器件L1、L1’、第二透镜组A2、A2’以及至少两片半透半反偏转光学器件L2、L2’组成，其中全反射偏转光学器件L1、L1’位于第一透镜组A1、A1’与第二透镜组A2、A2’之间的位置，半透半反偏转光学器件L2、L2’位于第二透镜组A2、A2’与微型显示器件之间。该结构特点是第一透镜组A1、A1’采用了传统的光学球面、偶次非球面及菲涅尔光学面，第二透镜组A2、A2’采用了光学球面和偶次非球面和二元光学面，第6光学面的菲涅尔面及第14光学面二元面面型参数如下表所示：

表4菲涅尔面及二元面面型参数

且第一透镜组A1、A1’由四片光学透镜组成，第二透镜组A2、A2’由一片光学透镜组成。如图8所示，该头戴光学系统由一片微型显示器件实现沉浸式效果。

图9、图10和图11分别为实施例二的光学系统的弥散斑阵列示意图、畸变图和传递函数MTF示意图，从图中可以看出，在保证大视场角度(44度)的同时，各个视场光线在像平面(显示器件)的弥散斑半径小而均匀，不同波长光线在同个视场聚焦形成的弥散斑错位程度低，光学传递函数MTF各视场的在频率为10的时候分辨率达到了0.95以上，光学系统像差得到良好校正，通过目镜光学系统可观察到整体全画幅高清、无失真、均匀、高光学性能的显示画像，达到高临场感的视觉体验。

实施例三

实施例三的结构数据如下表所示：

表5实施三结构数据

图12示意图为实施例三的2D光学结构图及实际产品构建图，如图12所示由从人眼观测侧到微型显示器件之间沿光轴方向依次排列的是第一透镜组A1、A1’、至少两片全反射偏转光学器件L1、L1’、第二透镜组A2、A2’以及至少两片半透半反偏转光学器件L2、L2’组成，其中全反射偏转光学器件L1、L1’位于第一透镜组A1、A1’与第二透镜组A2、A2’之间的位置，半半透半反偏转光学器件L2、L2’位于第二透镜组A2、A2’与微型显示器件之间。该结构特点是第一透镜组A1、A1’采用了传统的光学球面和偶次非球面光学面，第二透镜组A2、A2’采用了光学球面和偶次非球面和其中第16个光学面为二元光学面，二元面面型参数如下表所示：

表6二元面面型参数

二元面基底面的四次项系数	-4.121181e-05
		二元面基底面的六次项系数	8.6352e-07
二元面基底面的八次项系数	3.9390415e-09
		二元面的归一化半径	50
二元面的二次项系数	-69549.376
		二元面的四次项系数	601342.37
二元面的六次项系数	-15731497

且第一透镜组A1、A1’由五片透镜组成，第二透镜组A2、A2’由两片透镜组成。如图13所示，该头戴光学系统由一片微型显示器件实现沉浸式效果，全反射偏转光学器件L1、L1’和半透半反偏转光学器件L2、L2’的光学面与光轴的夹角分别为θ1、θ2，θ1和θ2为45度，该结构中的θ1与θ2之和为90度。

图14、图15和图16分别为实施例三的光学系统的弥散斑阵列示意图、畸变图和传递函数MTF示意图，从图中可以看出，在保证大视场角度(44度)的同时，各个视场光线在像平面(显示器件)的弥散斑半径小而均匀，不同波长光线在同个视场聚焦形成的弥散斑错位程度低，光学传递函数MTF各视场的在频率为10的时候分辨率达到了0.55以上，光学系统像差得到良好校正，通过目镜光学系统可观察到整体全画幅高清、无失真、均匀、高光学性能的显示画像，达到高临场感的视觉体验。

实施例四

实施例四的结构数据如下表所示：

表7实施四结构数据

图17示意图为实施例四的2D光学结构图及实际产品构建图，如图17所示由从人眼观测侧到微型显示器件之间沿光轴方向依次排列的是第一透镜组A1、A1’、至少两片全反射偏转光学器件L1、L1’、第二透镜组A2、A2’以及至少两片半透半反偏转光学器件L2、L2’组成，其中全反射偏转光学器件L1、L1’位于第一透镜组A1、A1’与第二透镜组A2、A2’之间的位置，半透半反偏转光学器件L2、L2’位于第二透镜组A2、A2’与微型显示器件之间。该结构特点是第一透镜组A1、A1’与第二透镜组A2、A2’采用了传统的光学球面和偶次非球面光学面，且第一透镜组A1、A1’由四片透镜组成，第二透镜组A2、A2’由三片透镜组成。如图17、22、23所示，该头戴光学系统由一片微显示屏(IMG)实现沉浸式效果，全反射偏转光学器件L1、L1’和半透半反偏转光学器件L2、L2’的光学面与光轴的夹角分别为θ1、θ2，如图18、24分别为60、30度，如图22都为45度，各结构中的θ1与θ2之和为90度。图18、24两种结构的组要区别在于微显示屏(IMG)的位置的不同。

图19、图20和图21分别为实施例四的光学系统的弥散斑阵列示意图、畸变图和传递函数MTF示意图，从图中可以看出，在保证大视场角度(40度)的同时，各个视场光线在像平面(显示器件)的弥散斑半径小而均匀，不同波长光线在同个视场聚焦形成的弥散斑错位程度低，光学传递函数MTF各视场的在频率为10的时候分辨率达到了0.55以上，光学系统像差得到良好校正，通过目镜光学系统可观察到整体全画幅高清、无失真、均匀、高光学性能的显示画像，达到高临场感的视觉体验。

在另一实施例中，本发明提供一种一屏双目式头戴显示光学设备，包括微型显示器件，还包括前述中的光学系统，将微型显示器件所显示的画面以高像质，低畸变，大视场角的特点投射到人眼中；微型显示器件为两眼之间与目镜光轴空间上垂直的位置，亦可为微型显示器件沿半透半反偏转光学器件L2、L2’交点o点对称的微型显示器件；通过合理运用第二透镜组及半透半反偏转光学器件，进行与传统目镜结构搭建完全不一样方法，创新性地将整个头戴显示地光学系统进行物镜、目镜的搭建，一方面保证高质量的成像效果，另一方面增加整体光学结构的总长，达到与传统双目镜光学系统、双微显示变完全不同的双光学系统、单微显示屏的结构。

在进一步的实施例中，微型显示器件为有机电致发光器件或透射式液晶显示器。

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

1.一种一屏双目式头戴显示光学系统，其特征在于：包括从人眼观测侧到微型显示器件之间沿光轴方向依次排列的是第一透镜组、全反射偏转光学器件、第二透镜组以及半透半反偏转光学器件；所述第一透镜组、全反射偏转光学器件、第二透镜组以及半透半反偏转光学器件均沿微型显示器件的中轴线对称设置；其中，位于微型显示器件一侧的第一透镜组、全反射偏转光学器件、第二透镜组、半透半反偏转光学器件与微型显示器件形成左眼光路，位于微型显示器件另一侧的第一透镜组、全反射偏转光学器件、第二透镜组以及半透半反偏转光学器件形成右眼光路；

0<W1<60 (1)；

0<W2<32 (2)；

所述第一透镜组的焦距为F1，所述第二透镜组的焦距为F2，光学系统的总焦距为F，且F1、F2与F满足下列关系式(6)、(7)：

-2<F1/F<0 (6)；

F2/F<0 (7)；

所述全反射偏转光学器件的光学面与光轴的夹角为θ1；所述半透半反偏转光学器件的光学面与光轴的夹角为θ2，且θ1与θ2之间的关系满足下列关系式(5)：

θ1+θ2＝90° (5)。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜组最靠近第二透镜组一侧的光学面与所述第二透镜组最靠近第一透镜组一侧的光学面的距离为D1，所述第二透镜组最靠近微型显示器件一侧的光学面与微型显示器件的距离为D2，且D1、D2满足下列关系式(3)、(4)：

10<D1<60 (3)；

15<D2 (4)。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜组与所述第二透镜组内的光学透镜采用的光学材质为塑胶、树脂或玻璃材质。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜组与所述第二透镜组内光学透镜的光学面为光学球面面型、非球面面型、菲涅尔面型或二元面面型。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜组与所述第二透镜组内光学面所采用的菲涅尔面型及二元面面型为平面基底、球面基底或非球面基底。

6.一种一屏双目式头戴显示光学设备，包括微型显示器件，其特征在于，还包括如权利要求1-5中任一项所述的光学系统，将微型显示器件所显示的画面以高像质，低畸变，大视场角的特点投射到人眼中。

7.根据权利要求6所述的光学设备，其特征在于，所述微型显示器件为有机电致发光器件或透射式液晶显示器。