CN113467091A

CN113467091A - 近眼显示系统和头戴显示设备

Info

Publication number: CN113467091A
Application number: CN202110739942.1A
Authority: CN
Inventors: 刘瑜
Original assignee: Goertek Inc
Current assignee: Goertek Inc
Priority date: 2021-06-29
Filing date: 2021-06-29
Publication date: 2021-10-01

Abstract

本发明公开了一种近眼显示系统和头戴显示设备。其中，所述近眼显示系统包括显示器、成像镜组、分光件、位相延迟器和偏振反射膜，所述显示器用于发射光线，所述显示器为曲面结构，所述显示器的弯曲方向朝向光线的传播方向；所述成像镜组设于所述显示器的出光方向；所述分光件设于所述成像镜组的入光面；所述位相延迟器设于所述成像镜组的出光面；所述偏振反射膜设于所述位相延迟器背离所述成像镜组的一侧。本发明的技术方案能够减少光学畸变，提高成像清晰度。

Description

近眼显示系统和头戴显示设备

技术领域

本发明涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种近眼显示系统和头戴显示设备。

背景技术

头戴显示设备(Head Mount Display)通过内部设置的各种光学器件向用户发送光学信号，从而在人眼位置显示成像，为用户提供一个身临其境的体验。显示器发射的光线在传递过程中，在显示器中心位置的传播路径和边缘位置的传播路径不同，因此最后在人眼位置的成像画面容易扭曲变形，这种画面扭曲变形为畸变，光学畸变会导致画面的成像清晰度变低。

发明内容

基于此，针对目前的头戴显示设备中显示器形成的成像画面存在畸变，光学畸变会导致画面的成像清晰度变低的问题，有必要提供一种近眼显示系统和头戴显示设备，旨在减少光学畸变，提高成像清晰度。

为实现上述目的，本发明提出的一种近眼显示系统，所述近眼显示系统包括：

显示器，所述显示器用于发射光线，所述显示器为曲面结构，所述显示器的弯曲方向朝向光线的传播方向；

成像镜组，所述成像镜组设于所述显示器的出光方向；

分光件，所述分光件设于所述成像镜组的入光面；

位相延迟器，所述位相延迟器设于所述成像镜组的出光面；以及

偏振反射膜，所述偏振反射膜设于所述位相延迟器背离所述成像镜组的一侧。

可选地，所述显示器包括设于出光面的显示屏，所述显示屏为塑料材质。

可选地，所述位相延迟器为四分之一波片。

可选地，所述分光件为半反半透膜。

可选地，所述成像镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜沿光线的传播方向依次设置，所述第一透镜的入光面为凸面，所述第二透镜的入光面为凹面。

可选地，所述分光件设于所述第一透镜的入光面，所述位相延迟器设于所述第二透镜的出光面。

可选地，所述近眼显示系统还包括两增透膜，所述第一透镜的出光面和所述第二透镜的入光面分别设置所述增透膜。

可选地，所述第一透镜的入光面为非球面。

可选地，在半视场角为40°时，所述近眼显示系统的畸变小于21.6％。

此外，为了实现上述目的，本发明还提供一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括壳体和如上文所述近眼显示系统，所述近眼显示系统设于所述壳体。

本发明提出的技术方案中，显示器发射光线，发射的光线为圆偏振光。光线在射向成像镜组时，光线首先经过分光件，一部光线透射，另一部分光线反射。透射分光件的光线继续射向成像镜组，并经过成像镜组后射向位相延迟器，圆偏振光线的偏振状态发生改变，圆偏振光变换为线偏振光。线偏振的光线射向偏振反射膜，此时，线偏振光的振动方向与偏振反射膜的透过方向不同，光线被反射。反射的光线依次经过位相延迟器和成像镜组，并射向分光件，光线再次经过分光件时，光线被部分反射向成像镜组。此时光线为圆偏振光，经过反射后，光线的旋转方向发生了改变，光线再次经过位相延迟器后再次转换为线偏振光，此时，线偏振光的偏振方向与偏振反射膜的透射方向相同，光线透射偏振反射膜。其中，通过显示器的弯曲方向朝向光线的传播方向，显示器的边缘位置和中心位置距离人眼的距离不同，从而可以校正光线在中心位置和边缘位置的传播路径，继而减少光学畸变，提高成像清晰度。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明近眼显示系统一实施例的结构示意图；

图2为图1中近眼显示系统的部分结构示意图；

图3为本发明图1近眼显示系统的调制传递函数图；

图4为本发明图1近眼显示系统的场曲与畸变图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	显示器	221	第二透镜的入光面
110	光线	222	第二透镜的出光面
				20	成像镜组	30	人眼
210	第一透镜	40	分光件
				211	第一透镜的入光面	50	位相延迟器
212	第一透镜的出光面	60	偏振反射膜
				220	第二透镜	70	增透膜

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

相关技术中显示器形成的成像画面存在光学畸变，光学畸变属于像差的一种，在用户视角观察，带有畸变的图像扭曲变形，尤其是在图像的边缘位置，光学畸变会导致成像清晰度降低。

为了解决上述问题，参阅图1和图2所示，本发明提供一种近眼显示系统，近眼显示系统包括：显示器10、成像镜组20、分光件40、位相延迟器50和偏振反射膜60。

显示器10用于发射光线，显示器10为曲面结构，显示器10的弯曲方向朝向光线的传播方向；成像镜组20设于显示器10的出光方向；分光件40设于成像镜组20的入光面；位相延迟器50设于成像镜组20的出光面；偏振反射膜60设于位相延迟器50背离成像镜组20的一侧。成像镜组20设置在显示器10的出光方向中。近眼显示系统可以用于虚拟现实(VR，Virtual Reality)显示设备中。在VR显示设备中，发射光线110的显示器10尺寸较小，例如采用显示芯片作为图像源，图像源的尺寸为2英寸左右。为了保证图像能够在人眼30位置成像显示，需要对小尺寸的图像源发射的光线110进行解析处理。进而设置成像镜组20，光线110经过成像镜组20后在人眼30位置放大成像。

显示器10的显示原理包括多种，LED(Light Emitting Diode，发光二极管)，LCOS(Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶)，或者是AMOLED(Active-matrix organiclight-emitting diode，有源矩阵有机发光二极体，以及LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示)。

本实施例提出的技术方案中，显示器10发射光线，发射的光线110为圆偏振光。光线110在射向成像镜组20时，光线110首先经过分光件40，一部光线透射，另一部分光线反射。透射分光件40的光线继续射向成像镜组20，并经过成像镜组20后射向位相延迟器50，圆偏振光线的偏振状态发生改变，圆偏振光变换为线偏振光。线偏振的光线射向偏振反射膜60，此时，线偏振光的振动方向与偏振反射膜60的透过方向不同，光线被反射。反射的光线依次经过位相延迟器50和成像镜组20，并射向分光件40，光线再次经过分光件40时，光线被部分反射向成像镜组20。此时光线为圆偏振光，经过反射后，光线的旋转方向发生了改变，光线再次经过位相延迟器50后再次转换为线偏振光，此时，线偏振光的偏振方向与偏振反射膜60的透射方向相同，光线透射偏振反射膜60。其中，通过显示器的弯曲方向朝向光线的传播方向，显示器10的边缘位置和中心位置距离人眼的距离不同，从而可以校正光线在中心位置和边缘位置的传播路径，继而减少光学畸变，提高成像清晰度。

需要指出的是，VR显示设备在于给用户提供身临其境的沉浸式体验。通过显示器10的曲面结构形成一个包绕用户眼睛的屏幕，也就是用户在较大的眼动范围内均能够看到显示画面，由此提高用户的沉浸式体验。另外，通过曲面设计，显示屏的边缘位置向用户延伸，使用户有环绕式观感，提高用户的沉浸式体验。并且曲面屏幕更加贴近用户，提高用户的视场角度。

在相关技术中，显示器的屏幕均采用玻璃材质，而玻璃材质的显示器的屏幕容易碎裂，尤其是头戴显示设备需要频繁的穿戴的情况下，显示器的玻璃面更容易受到外力影响而破碎。为了避免屏幕的破碎，显示器10包括设于出光面的显示屏，显示屏为塑料材质。塑料材质的显示屏具有较高的韧性，外力作用在近眼显示系统上时，显示屏不易碎裂。加工显示屏材质的塑料包括聚甲基丙烯酸甲酯(Poly Methyl Methacrylate，PMMA)，聚苯乙烯(Poly Styrene，PS)，聚碳酸脂(Poly Carbonate，PC)，还可以是聚对苯二甲酸乙二醇酯(Poly Ethylene glycol Terephthalate，PET)等。上述材料在加工成型后，均能够获得透明的显示屏。加工显示屏的方式，一般采用注塑加工，热塑一体成型。

进一步地，位相延迟器50为四分之一波片，四分之一波片用于改变光线的偏振状态，四分之一波片可以有效的保证光线在线偏振状态和圆偏振状态之间切换，还可以将线偏振光转换为椭圆偏振光。其中，四分之一波片可以为独立的光学器件，也可以为膜层结构。四分之一波片可以采用粘贴的方式，也可以采用镀膜的方式固定在成像镜组20上。

进一步地，分光件40用于将经过的光线部分透射，部分反射，反射和透射比可以是1:1，也可以是2:1，还以是1:2等，例如，分光件40可以为半反半透膜。

在本申请的一实施例中，成像镜组20的作用在于完成对显示画面的解析。将小尺寸图像解析放大为大尺寸图像，使用户能够看清显示画面的全部。为此，成像镜组20包括第一透镜210和第二透镜220，第一透镜210和第二透镜220沿光线110的传播方向依次设置，第一透镜的入光面211为凸面，第二透镜的入光面221为凹面。显示器具有较大的发散角，为了保证光线110能够顺利的进入人眼30，光线110在经过第一透镜的入光面211时，发生折射，光线110向着显示模组的光轴方向偏折，光线110发生会聚。光线110在经过第二透镜的入光面221时，光线110也发生偏折，光线110的偏折方向背离显示模组的光轴。如此，光线110完成发散，从而能够使成像画面的尺寸变大。

进一步地，分光件40设于第一透镜的入光面，位相延迟器50设于第二透镜的出光面。分光件40也可以采用粘贴或者镀膜方式设置在第一透镜的入光面。

进一步地，近眼显示系统还包括两增透膜70，第一透镜的出光面212和第二透镜的入光面221分别设置增透膜70。光线110这第一透镜210和第二透镜220之间多次折反射时，光线110容易出现损耗，例如部分光线110被光学面反射或者被吸收等。而通过增透膜70的设置，光线110在经过第一透镜210和第二透镜220时，光线110通过的数量变多，从而有效提高了光线110的通过率。增透膜70的设置方式可以是贴附在第一透镜210和第二透镜220上，也可以采用镀膜的方式设置在第一透镜210和第二透镜220上。贴附的方式操作简单，便于用户完成作业。镀膜的方式能够使膜层更加牢固，耐用性也更好。

在上述实施例中，光线110在传递过程中，在透镜的光轴位置成像和在透镜远离光轴的位置，光线110的传播路径不同，由此导致光线110在人眼30位置聚焦的位置不同，由此产生像差，为此，第一透镜的入光面211为非球面。非球面的曲率由中间光轴位置向边缘位置逐渐变化，通过这种光学表面曲率逐渐变化的情况来调整光线110聚焦位置，从而减少像差的产生。另外，通过一个非球面达到减少像差的作用，相比多个球面镜减少像差，整个近眼显示系统的体积更小。

在本申请的一实施例中，在半视场角为40°时，近眼显示系统的畸变小于21.6％。通过显示器的曲面设计，光线110在通过显示器的边缘位置和中心位置时经过的路径不同，从而调整图像边缘位置的成像，减少图像边缘位置的扭曲变形。畸变小于21.6％，畸变较小，满足设计使用要求。

需要指出的是，表一中的厚度是指该光学面距离下一个光学面的距离，厚度的正值是指显示器到人眼方向的距离，厚度的负值是指人眼到显示器方向的距离。材质是指该光学面到下一个光学面之间都是这种材质，其中，MIRROR(反射)的含义并不是材质，而是表示该光学面具有反射效果。本实施例中，显示模组的总有效焦距f＝28.2497mm，从人眼到物面在光轴上的距离TTL＝31.002mm，距离较短符合设计要求。

参阅图3和图4所示，图3和图4显示出了上述实施例的光学效果图。图3中的调制传递函数图，即MTF(Modulation Transfer Function)图，MTF图用于是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。在主要视场角范围内，MTF值大于0.4，分辨率良好。图4为场曲与畸变图，其中，场曲是指像场弯曲，主要用于表示近眼显示系统中，整个光束的交点与理想像点的不重合程度。畸变是指物体通过光学组件成像时，物体不同部分有不同的放大率的像差。由图4可知场曲小于2.5毫米，畸变小于21.6％，成像效果清晰，人眼难以察觉。

本发明还提供一种头戴显示设备，头戴显示设备包括壳体和如上文近眼显示系统，近眼显示系统设于壳体。壳体能够提供一个支撑光学模组的安装空间，光学模组设置在壳体内，还能够避免外部环境的水汽或者灰尘落入到光学模组的内部。

本发明的头戴显示设备的实施方式可以参照上述近眼显示系统各实施例，在此不再赘述。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统包括：

成像镜组，所述成像镜组设于所述显示器的出光方向；

分光件，所述分光件设于所述成像镜组的入光面；

2.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述显示器包括设于出光面的显示屏，所述显示屏为塑料材质。

3.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述位相延迟器为四分之一波片。

4.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述分光件为半反半透膜。

5.如权利要求1至4中任一项所述的近眼显示系统，其特征在于，所述成像镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜沿光线的传播方向依次设置，所述第一透镜的入光面为凸面，所述第二透镜的入光面为凹面。

6.如权利要求5所述的近眼显示系统，其特征在于，所述分光件设于所述第一透镜的入光面，所述位相延迟器设于所述第二透镜的出光面。

7.如权利要求5所述的近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括两增透膜，所述第一透镜的出光面和所述第二透镜的入光面分别设置所述增透膜。

8.如权利要求5所述的近眼显示系统，其特征在于，所述第一透镜的入光面为非球面。

9.如权利要求1至4中任一项所述的近眼显示系统，其特征在于，在半视场角为40°时，所述近眼显示系统的畸变小于21.6％。

10.一种头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括壳体和如权利要求1至9中任一项所述近眼显示系统，所述近眼显示系统设于所述壳体。