CN202948204U - 可透视型头戴式显示器光学系统 - Google Patents

Abstract

一种可透视型头戴式显示器光学系统，包括光学结构，所述光学结构包括方体透镜、凸透镜面和接合而成的成像透镜组，所述方体透镜包括两个相接合的直角棱镜和部分透反分光膜和/或偏振膜；所述凸透镜面具有镜面膜或部分反射膜，所述方体透镜和所述凸透镜面经设置以将来自所述显示器面板并经过所述成像透镜组的光线导向使用者的眼睛；且所述成像透镜组经设置以沿着所述光线的光学路径校正光学像差，所述成像透镜组和所述方体透镜一同提供供外部光线进入使用者的眼睛的可透视区。该光学系统的结构紧凑、重量轻、图像质量高且透视视野范围广。

Description

可透视型头戴式显示器光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种可透视型头戴式显示器光学系统。 

背景技术

可透视型头戴式显示器是常用于扩增实境的显示器装置。通过使用该装置，人们既可以看到显示器面板上的虚拟信息，又可以同时看到现实场景。目前，专业性的头戴式显示器具有视野广和图像质量高的优点，但缺点在于体积大而笨重且价格昂贵。近年来，谷歌公司和苹果公司也各自开发了一些消费类的头戴式显示器。 

美国专利US7675684B1公开了一种紧凑型瞳孔成像光学系统，其结构包括光源、照明透镜组、偏振片、透射/反射偏振装置、中继透镜、内表面镀膜反射镜和目镜。该专利文献提供的是一种折合式偏振光学系统，仅通过方体透镜来透视，可透视范围与虚拟图像的观看范围是相同的。美国专利申请US2010/0290127A1公开了一种可透视光学系统，其结构包括图像显示器面板、与显示器面板光学耦合的正场透镜、在成像路径中的曲面镜表面以及导引光路方向的光束分离器。该光学系统只能获得低成像质量；通过使用场镜和曲面镜表面来校正光学像差。该光学系统也通过方体透镜来透视，可透视范围与虚拟图像的观看范围是相同的。 

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑、重量轻、图像质量高且透视视野范围广的可透视型头戴式显示器光学系统。 

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案： 

一种可透视型头戴式显示器光学系统，具有至少一个显示器模块，所述显示器模块包括： 

用于提供图像供使用者观看的显示器面板及为其所配备的光源； 

与所述显示器面板相连的控制单元； 

光学结构，所述光学结构包括一个方体透镜、一个凸透镜面和一个接合而成（cemented）的成像透镜组，其中 

所述方体透镜包括两个相接合的直角棱镜和设置在两直角棱镜之间的部分透反分光膜和/或偏振膜； 

所述凸透镜面具有镜面膜或部分反射膜，且所述凸透镜面设置在所述方体透镜的第一表面，其中所述方体透镜和所述凸透镜面经设置以将来自所述显示器面板并经过所述成像透镜组的光线导向使用者的眼睛；且 

所述成像透镜组经设置与所述方体透镜的第二表面相接，且所述成像透镜组经设置以沿着所述光线的光学路径校正光学像差，所述成像透镜组和所述方体透镜一同提供供外部光线进入使用者的眼睛的可透视区。 

本实用新型可进一步采用以下一些技术方案： 

所述成像透镜组的与所述方体透镜的第二表面相接的面的尺寸与所述方体透镜的第二表面相当。 

所述成像透镜组被成型为长方体或者立方体。 

所述成像透镜组面向使用者眼睛的前表面和后表面至少一者抛光成光滑面。 

所述接合而成的成像透镜组包括至少两个透镜，且所述至少两个透镜具有实质上相同的折射率，但具有不相同的阿贝数。 

所述方体透镜的折射率等于或小于与之相邻的成像透镜组中的第一透镜，所述成像透镜组中的第一透镜的折射率等于或小于与之相邻的成像透镜组中的第二透镜。 

所述方体透镜、所述凸透镜面与所述接合而成的成像透镜组是同心的。 

所述方体透镜、凸透镜面与使用者的瞳孔中心是同心的。 

所述凸透镜面由平凸透镜（plano-convex lens）形成。 

所述光学系统还包括壳体，所述显示器面板和所述控制单元安装在所述壳体中，所述成像透镜组与所述壳体相连且至少一部分暴露在所述壳体外。 

所述光学系统包括作为支撑体的眼镜框，所述壳体安装在所述眼镜框的侧部。 

本实用新型的有益技术效果： 

方体透镜、凸透镜面和成像透镜组形成相接合的紧凑的光学结构，人眼通过接合而成的方体透镜看到虚拟图像，并通过方体透镜以及接合而成的成像透镜组看到现实场景。由于使用者不仅可以透过方体透镜观察，还 可以透过接合而成的成像透镜组，当使用透视功能观看周围事物时，外界光线阻挡较小。因此，本实用新型不仅能提供高图像质量，其可透视视野范围也得到显著增加，可透视的视野范围大于虚拟画面的视野范围。 

在优选的实施方案下，例如，通过成像透镜组校正光学像差，将成像透镜组的前后表面抛光，将成像透镜组大体上暴露在壳体外部，可以获得更高的图像质量，更好的可透视性及更广的可透视视野范围。 

附图说明

图1为本实用新型一个实施例里的光学结构示意图； 

图2为本实用新型一个实施例里的光学结构示意图； 

图3为本实用新型一个实施例的使用示意图； 

图4a-4b和图5a-5b为本实用新型两种实施例的光学结构及其光路径和可透视视野范围示意图； 

图6表示本实用新型可透视型头戴式显示器光学系统的一个实例图。 

具体实施方式

以下通过实施例结合附图对本实用新型进行进一步的详细说明。 

请参阅图1至图6，在一些实施例里，可透视型头戴式显示器光学系统具有至少一个显示器模块，所述显示器模块包括显示器面板1、光源2、控制单元3和光学结构4，所述显示器面板用于提供图像供使用者观看，控制单元与所述显示器面板相连并控制显示器面板，所述光学结构4包括一个方体透镜410、一个凸透镜面420和一个接合而成（cemented）的成像透镜组430，构成一个紧凑且具有扩大可透视视野范围的光学系统。 

所述方体透镜410包括两个相接合的直角棱镜，两直角棱镜之间设置有部分透反分光膜（部分反射的元件形成）411和/或偏振膜。 

所述凸透镜面420具有镜面膜421或部分反射膜422，且所述凸透镜面设置在所述方体透镜的第一表面，其中所述方体透镜和所述凸透镜面经设置以将来自所述显示器面板并经过所述成像透镜组430的光线导向使用者的眼睛。 

所述成像透镜组430经设置与所述方体透镜410的第二表面相接，且所述成像透镜组经设置以沿着所述光线的光学路径校正光学像差，所述成像透镜组和所述方体透镜一同提供供外部光线进入使用者的眼睛8的可透视区200。所述方体透镜提供观看虚拟图像的视野区100。 

如图4b和图5b所示，所述光学结构允许使用者同时从由接合而成的 成像透镜组和方体透镜的边缘所界定的范围观察周围环境。 

优选地，所述成像透镜组的与所述方体透镜的第二表面相接的面的尺寸与所述方体透镜的第二表面相当。 

优选地，所述成像透镜组可以是长方体或者立方体。可以采用切割方式成型。 

优选地，可将所述成像透镜组面向使用者眼睛的前表面431和后表面432至少一者抛光成光滑面，以增强可透视性。 

优选地，所述接合而成的成像透镜组包括至少两个透镜，且所述至少两个透镜具有实质上相同的折射率，但具有不相同的阿贝数。如图所示，成像透镜组包括三个透镜433、434、435。 

更优选地，所述方体透镜的折射率等于或小于与之相邻的成像透镜组中的第一透镜433，所述成像透镜组中的第一透镜433的折射率等于或小于与之相邻的成像透镜组中的第二透镜434。 

优选地，所述凸透镜面可由平凸透镜（plano-convex lens）形成。 

所述凸透镜面可包括涂布在所述平凸透镜表面的部分反射膜或反射膜。 

如图4a所示，在一些实施例里，所述方体透镜、所述凸透镜面与所述接合而成的成像透镜组是同心的。由平凸透镜形成的凸透镜面设置在方体透镜与成像透镜组相接那一面的相对面，即第一表面上，图4b为光路示意图。涂布在所述平凸透镜表面的可以是反射膜。 

如图5a所示，在另一些实施例里，所述方体透镜、凸透镜面与使用者的瞳孔中心是同心的。由平凸透镜形成的凸透镜面设置在方体透镜与人眼相对的较远的那一面，即第一表面上，图5b为光路示意图。涂布在所述平凸透镜表面的可以是部分反射膜。 

如图6所示，优选地，所述光学系统还可以包括壳体5，所述显示器面板和所述控制单元安装在所述壳体中。所述成像透镜组与所述壳体相连且至少一部分暴露在所述壳体外，此举确保成像透镜组提供可透视视野范围。 

如图6所示，在一种具体实例里，所述光学系统包括作为支撑体的眼镜框6，所述壳体安装在所述眼镜框的侧部。沿着眼镜腿方向延伸可设置PCB面板7。光源2可采用白光LED，其可设置在壳体5里面。 

显示器面板可以采用LCoS模组、LCD模组或自发光器件(如OLED等)。 

根据一种具体实例的可透视型头戴式显示器光学系统，具有如下光学性能参数： 

光学体积为48mm(长)*15mm(宽)*15mm(高)； 

重量小于25克； 

图像质量：调制传递函数（MTF）>0.540lps/mm； 

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。 

Claims (11)

1.一种可透视型头戴式显示器光学系统，其特征在于,具有至少一个显示器模块，所述显示器模块包括：

用于提供图像供使用者观看的显示器面板及为其所配备的光源；

与所述显示器面板相连的控制单元；

光学结构，所述光学结构包括一个方体透镜、一个凸透镜面和一个接合而成的成像透镜组，其中

所述方体透镜包括两个相接合的直角棱镜和设置在两直角棱镜之间的部分透反分光膜和/或偏振膜；

所述凸透镜面具有镜面膜或部分反射膜，且所述凸透镜面设置在所述方体透镜的第一表面，其中所述方体透镜和所述凸透镜面经设置以将来自所述显示器面板并经过所述成像透镜组的光线导向使用者的眼睛；且

所述成像透镜组经设置与所述方体透镜的第二表面相接，且所述成像透镜组经设置以沿着所述光线的光学路径校正光学像差，所述成像透镜组和所述方体透镜一同提供供外部光线进入使用者的眼睛的可透视区。

2.如权利要求1所述的可透视型头戴式显示器光学系统，其特征在于,所述成像透镜组的与所述方体透镜的第二表面相接的面的尺寸与所述方体透镜的第二表面相当。

3.如权利要求1所述的可透视型头戴式显示器光学系统，其特征在于,所述成像透镜组被成型为长方体或者立方体。

4.如权利要求1所述的可透视型头戴式显示器光学系统，其特征在于,所述成像透镜组面向使用者眼睛的前表面和后表面至少一者抛光成光滑面。

5.如权利要求1至4任一项所述的可透视型头戴式显示器光学系统，其特征在于,所述接合而成的成像透镜组包括至少两个透镜，且所述至少两个透镜具有实质上相同的折射率，但具有不相同的阿贝数。

6.如权利要求5所述的可透视型头戴式显示器光学系统，其特征在于,所述方体透镜的折射率等于或小于与之相邻的成像透镜组中的第一透镜，所述成像透镜组中的第一透镜的折射率等于或小于与之相邻的成像透镜组中的第二透镜。

7.如权利要求1至4任一项所述的可透视型头戴式显示器光学系统，其特征在于,所述方体透镜、所述凸透镜面与所述接合而成的成像透镜组是同心的。

8.如权利要求1至4任一项所述的可透视型头戴式显示器光学系统，其特征在于,所述方体透镜、凸透镜面与使用者的瞳孔中心是同心的。

9.如权利要求1至4任一项所述的可透视型头戴式显示器光学系统，其特征在于,所述凸透镜面由平凸透镜（plano-convex lens）形成。

10.如权利要求1至4任一项所述的可透视型头戴式显示器光学系统，其特征在于,还包括壳体，所述显示器面板和所述控制单元安装在所述壳体中，所述成像透镜组与所述壳体相连且至少一部分暴露在所述壳体外。

11.如权利要求10所述的可透视型头戴式显示器光学系统，其特征在于,包括作为支撑体的眼镜框，所述壳体安装在所述眼镜框的侧部。

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