CN204479842U - 一种头戴式显示器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种头戴式显示器。所述头戴式显示器包括镜头和显示装置，所述镜头和所述显示装置位于同一光轴，所述显示装置，进一步包括两个独立显示模块；所述镜头由单片透镜构成，所述透镜的两个镜面分别为外凸的非球面镜面。通过使用本实用新型，降低镜头价格、压缩镜头体积、提高镜头便携性；进一步，在满足头戴式显示器的功能性要求的基础上，提供大的出瞳直径，在不调瞳距的情况下，满足人眼观看需求，使用者更容易使用头戴显示器，观看效果更好。

Description

一种头戴式显示器

本申请为申请号为201420725162.7、申请日为2014年11月27日、发明名称为“一种透镜以及包括该透镜的镜头和头戴显示器”的分案申请。

技术领域

本实用新型涉及光学透镜领域，尤其涉及一种具有两个非球面镜面的透镜、以及包括该透镜的镜头和头戴式显示器。

背景技术

头戴式可视设备（Head Mount Display）头戴虚拟显示器的一种，又称眼镜式显示器、随身影院。是一种通俗的叫法，因为眼镜式显示器外形像眼镜，又可以为大屏幕显示音视频播放器的视频图像的，所以形象的称呼其为视频眼镜（video glasses）。视频眼镜最初是军事上需求和应用于军事上的。目前的视频眼镜犹如当初大哥大手机所处的阶段和地位，未来在3C融合大发展的情况下其将获得非常迅猛的发展。

目前，头戴显示器的类型较多，但大都由镜头和显示器构成，显示器的影像发出光线，光线经由镜头汇集于佩戴者的眼中，佩戴者接收到光线后成像，所成影像由影像光线的反向延长线的交点处，即位于显示器的后方位置。为实现上述过程，所述镜头至少需要具有控制主光学角度和控制视场角的功能，而目前的透镜多是球面透镜，单片球面透镜无法同时实现上述功能，为此，现有的至少两片透镜所构成的镜头，使得透镜以及头戴式显示器的价格偏高，也导致了其体积无法进一步压缩，便携性差。

同时，就现有市场上所出现的头戴立体观影设备，也基本上就是手机与头戴光学装置相结合的设备；由于显示屏幕以手机为载体，不仅手机显示屏本身像素有局限性，而且在3D分屏显示时，技术上所能达到的显示效果最大值的也仅是手机分辨率的一半，例如手机屏幕是1080P，所达到的分屏3D显示效果最大值也仅为540P，即用户的3D高清视频体验效果将大打折扣。同时，由于手机屏幕尺寸本身的局限性，手机在3D分屏显示16：9双画面时，必然手机屏幕的利用率比较低，手机中的双屏显示的影视画面也比较小，其也将直接导致3D观影过程中虚拟画面相对较小，沉浸感低等不足之处。

实用新型内容

本实用新型提供一种透镜以及包括该透镜的镜头和头戴式显示器，通过单片透镜设计, 用于解决解决视场角度不足，便携性差等问题；同时，通过独立双屏显示，让用户体验高清3D视觉效果。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种透镜，所述透镜适用于头戴式显示器的镜头，所述透镜的两个镜面分别为外凸的非球面镜面；

其中，一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值，小于另一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值；

所述两个非球面镜面的形状分别符合如下公式，

    其中：

Z，为沿光轴方向在r位置以表面定点作参考距光轴；

R，为曲率半径；

r，为所述透镜高度；

K，为圆锥系数；

A、B、C、D、E、F、G、H、J，分别为各项次的非球面系数。

本实用新型同时提供了一种镜头，所述镜头适用于头戴式显示器，所述镜头由单片透镜构成，所述透镜的两个镜面分别为外凸的非球面镜面；

其中，一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值，小于另一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值；

所述两个非球面镜面的形状分别符合如下公式，

    其中：

Z，为沿光轴方向在r位置以表面定点作参考距光轴；

R，为曲率半径；

r，为所述透镜高度；

K，为圆锥系数；

A、B、C、D、E、F、G、H、J，分别为各项次的非球面系数。

本实用新型进一步提供了一种头戴式显示器，该头戴式显示器包括镜头和显示装置，所述镜头和所述显示装置位于同一光轴，

所述显示装置，进一步包括两个独立显示模块；

所述镜头由单片透镜构成，所述透镜的两个镜面分别为外凸的非球面镜面。

优选的，上述头戴式显示器中，

所述两个独立显示模块为左右排列，其中，

左显示模块，用于显示左眼图像；

右显示模块，用于显示右眼图像。

优选的，上述头戴式显示器中，

所述显示模块的尺寸，为预先设定；

所述显示模块的显示屏，包括但不限定于，液晶显示屏LCD、发光二级管显示屏LED和有机发光二级管显示屏OLED。

优选的，上述头戴式显示器中，

所述显示模块，进一步包括，显示控制单元；

所述显示控制单元，用于控制显示模块的屏幕显示。

优选的，上述头戴式显示器中，

所述透镜的两个非球面镜面中，一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值，小于另一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值；

所述两个非球面镜面的形状分别符合如下公式，

    其中，

Z，为沿光轴方向在r位置以表面定点作参考距光轴；

R，为曲率半径；

r，为所述透镜高度；

K，为圆锥系数；

A、B、C、D、E、F、G、H、J，分别为各项次的非球面系数。

优选的，上述头戴式显示器中，

人眼相对于所述镜头的光轴偏移量，其有效范围为0mm至4mm。

优选的，上述头戴式显示器中，

由镜头和左显示模块所组成的左眼光学系统，具有从40到110度的视角，并且形成左眼图像的虚拟图像；

由镜头和右显示模块所组成的右眼光学系统，具有从40到110度的视角，并且形成右眼图像的虚拟图像；

优选的，上述头戴式显示器中，

左眼光学系统形成距离左眼10米或以上的左眼图像的1124英寸的放大虚拟图像；以及，

右眼光学系统形成距离右眼10米或以上的右眼图像的1124英寸的放大虚拟图像。

与现有技术相比，本实用新型有益效果如下：

通过使用本实用新型所提供的透镜以及包括该透镜的镜头和头戴显示器，可以实现，由单片透镜满足大视场头戴式显示器镜头的功能性要求；可以实现，在满足镜头功能性要求的基础上，降低镜头价格、压缩镜头体积、提高镜头便携性；进一步可以实现，在满足头戴式显示器的功能性要求的基础上，提供大的出瞳直径，在不调瞳距的情况下，满足人眼观看需求，使用者更容易使用头戴显示器，观看效果更好。

附图说明

图1为本实用新型实施例一种透镜的结构原理构图；

图2为本实用新型实施例一种头戴式显示器的光学原理图；

图3为本实用新型实施例一种头戴式显示器的结构示意图；

图4为图3爆炸图；

图5为本实用新型实施例所述人眼对准光学中心透镜的场曲图；

图6为本实用新型实施例所述人眼对准光学中心透镜的畸变图；

图7为本实用新型实施例所述人眼偏离光学中心4mm透镜的点列图；

图8为本实用新型实施例所述人眼偏离光学中心4mm透镜的光学结构图；

图9为本实用新型实施例所述人眼对准光学中心的光学结构图；

图10为本实用新型实施例所述人眼对准光学中心透镜的点列图；

图11为本实用新型实施例所述虚拟成像示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

透镜实施例

本实用新型实施例公开了一种透镜，所述透镜适用于头戴式显示器的镜头，所述透镜的两个镜面分别为外凸的非球面镜面，为便于描述，如图1中所示，两个非球面镜面分别为第一非球面镜面11和第二非球面镜面12。

所述透镜11用于构成头戴式显示器的镜头时：所述第一非球面镜面11朝向人眼，用于调整视场角，即通过所述第一非球面镜面11替代现有镜头中的，主要用于控制视场角的单独的透镜；所述第二非球面镜面12朝向显示器，即通过所述第二非球面镜面12替代现有镜头中的，主要用于控制主光学角度的单独的透镜。基于此，本实用新型的所述透镜，其单独作为镜头使用，也即镜头由单片所述透镜构成，即可完成镜头对于视场角和主光学角度的控制需求。

本实用新型实施例中，为实现单片所述透镜满足头戴式显示器的镜头对于视场角和主光学角度控制的功能性要求，所述透镜其中一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值，小于另一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值。参见图1，所述第一非球面镜面的曲率半径为 R1， R1>0 ，单位为mm；所述第二非球面镜面的曲率半径为 R2， R2<0，则 ：-R2<R1，R2<0表示第二面面型弯曲的方向与光线方向相反，R2的取值范围-25<R2<-20；在本实施例中R2为-21.296。

本实用新型实施例中所述两个非球面镜面的形状分别符合如下公式，

    其中：

Z，为沿光轴方向在 r 位置以表面定点作参考距光轴；

R，为曲率半径；

r，为所述透镜高度；

K，为圆锥系数；

A、B、C、D、E、F、G、H、J，分别为各项次的非球面系数。

不同的头戴式显示器对于镜头的功能参数具有不同的要求，在设计加工时，根据设计者提供的非球面系数，及其中厚、边厚、外径等参数，即可精确的确定该透镜的两个所述非球面镜面的形状。

镜头实施例

本实用新型实例提供了一种镜头，所述镜头适用于头戴式显示器，本实施例的镜头由单片透镜构成。

具体而言，该实施例中，所述镜头由单片透镜构成，所述透镜与前述的透镜实施例中的所述透镜相同，不再重复描述。

参见图1，所述第一非球面镜面11朝向人眼，用于控制视场角；所述第二非球面镜面12朝向显示器，用于控制主光学角度。基于此，该镜头采用单片所述透镜构成，即可实现控制视场角和主光学角度等的功能性要求，且较之现有的由至少两片透镜构成的镜头，本实用新型的镜头的成本更低、体积更小。

头戴式显示器实施例

参见图3-图4，本实施例公开了一种头戴式显示器。

图2为该头戴式显示器的光学原理图，图4为该头戴式显示器的原理结构图，具体而言，该显示器包括镜头2和显示装置4，所述镜头和所述显示装置是位于同一光轴；所述显示装置，进一步包括两个独立显示模块；所述镜头由单片透镜构成，所述透镜的两个镜面分别为外凸的非球面镜面。

本实施例一种头戴式显示器实施例的两个独立显示模块为左右排列时，如图4所示，左显示模块4L和右显示模块4R；所述左显示模块4L，用于显示左眼图像；所述右显示模块4R，用于显示右眼图像。所述显示模块的尺寸，为预先设定，其尺寸范围优选的，可以为0.4英寸至7英寸。所述显示模块的显示屏，包括但不限定于，液晶显示屏LCD、发光二级管显示屏LED和有机发光二级管显示屏OLED。独立的显示模块，可以根据实际产品和影视播放或游戏等显示需求，屏幕定制时可设置为16：9、4：3等不同比例尺寸，提高屏幕的利用率；同时双屏独立显示，可以极好的契合了3D双图像显示要求，提高3D显示分辨率，能让用户体验到高清3D视觉效果；有效避免了单屏幕双图像显示而降低影视或游戏的显示像素，造成人眼所感受到的虚拟画面显示效果欠清，体验较差的后果。所述显示模块，进一步包括，显示控制单元；所述显示控制单元，用于控制显示模块的屏幕显示。

图2本实用新型实施例一种头戴式显示器的光学原理图。为了更好的理解本实用新型实施例，首先，针对立体成像原理进行说明下：

人的视觉之所以能分辨远近，是靠两只眼睛的差距。人的两眼分开约5公分，两只眼睛除了瞄准正前方以外，看任何一样东西，两眼的角度都不会相同。

虽然差距很小，但经视网膜传到大脑里，脑子就用这微小的差距，产生远近的深度，从而产生立体感。一只眼睛虽然能看到物体，但对物体远近的距离却不易分辨。根据这一原理，如果把同一图像，用两只眼睛视角的差距制造出两个影像，然后让两只眼睛一边一个，各自眼球看到自己一边的影像，透过视网膜就可以使大脑产生景深的立体感了。

图4中独立显示模块4L和4R的图像通过镜头进入人的左眼和右眼；即人眼经镜头后看到的是成像在人眼前方一定距离处的放大虚拟图像，可以享受到在影院观看影片的大屏高清3D的效果。

即头戴式显示器在单独的屏幕上显示左眼图像和右眼图像，以使得用户的眼睛可以通过合成两个屏幕来观看立体图像。左眼和右眼显示模块4L和4R上显示的图像经由镜头变为放大的虚拟图像。当虚拟图像聚焦于左右眼的视网膜时，它们进入大脑作为单独的信息项，并且在大脑内组合为一个立体图像。

具体的，所述镜头由单片透镜构成，所述第一非球面镜面11朝向人眼，所述第二非球面镜面12朝向显示装置。所述显示装置的光线首先透过所述第二非球面镜面12，经所述第二非球面镜面12进行主光学角度的调整，然后射入所述透镜再由所述第一非球面镜面11射出并进入人眼，人眼视线首先穿过所述第一非球面镜面11，所述第一非球面镜面11对视场角进行调整，然后穿过所述透镜后的成像，位于所述显示装置的后方。

 所述透镜与前述的透镜实施例中的所述透镜相同，即，所述透镜符合：

1、所述透镜的两个镜面分别为外凸的非球面镜面，即第一非球面镜面11和第二非球面镜面12；

2、所述第一球面镜面11的曲率半径R1的绝对值，大于所述第二非球面镜面12的曲率半径R2的绝对值；

3、两个所述非球面镜面分别符合如下公式

其中：

Z，为沿光轴方向在r位置以表面定点作参考距光轴；

R，为曲率半径；

r，为所述透镜高度；

K，为圆锥系数；

A、B、C、D、E、F、G、H、J，分别为各项次的非球面系数。

如下的表一，为某一型号头戴式显示器对于镜头的特定参数要求，也即，该镜头的透镜，对于曲率半径(R)、高度平方值(r)、圆锥系数(K)和各项次的非球面系数(A、B、C、D、E、F、G、H、J)参数值分别采用如下数据，并在此基础上，结合两个所述非球面镜面反向外凸和-R2<R1的形状要求，即可精确的确定该透镜的两个所述非球面镜面的形状;

表一

在实施例中，两个非球面系数见表1：               r=0-19.7mm

对于该型号的头戴式显示器，经过测试，其场曲图参见图5，其畸变图参见图6，其点列图参见图7，图中分别针对波长700nm, 546.1nm ,435.8nm进行了分析，通过图中所示的分析结果可知，该型号的头戴式显示器的场曲在10mm以内,畸变在40%以内,光斑半径RMS小于0.55mm。因此，该型号的头戴式显示器，所采用的由单片透镜构成的镜头，完全符合头戴式显示器的各项参数指标。并且在此基础上，使得所述头戴式显示器的成本更低，体积进一步压缩，具有更佳的便携性。

参见图8-图11，本实用新型的头戴式显示器，采用由单片透镜构成的镜头完全符合头戴式显示器对于具有一定的光轴偏移量的要求。其中：

图8示出了光轴偏移4mm时的光学原理图，与之相对应的，图7示出了光轴偏移4mm时，所测试分析出的点列图。

图9示出了光轴偏移0mm时的光学原理图，图10示出了光轴偏移0mm时，所测试分析出的点列图。

由图中所示分析的结果的可知，在偏离光轴0mm和4mm时，该型号头戴式显示器的RMS半径点小于0.55mm，符合头戴式显示器的质量要求。另，人眼瞳距一般为4mm左右，因此，光轴偏移量的有效范围值0mm至4mm，足够应对用户的使用习惯。

同时,在本实用新型实施例中，观察角度范围为-55度至55度，具体是通过光学设计软件设定相应的观察角度参数，然后优化设计结果，各个观察角度的光斑大小见点列图7和图10，场曲和畸变见图5和图6，在实施例中，人眼观察范围为直径13mm的圆形区域。参见图8，半径为6.5mm；在本例中，模拟人的眼睛瞳孔大小为直径5mm，参见图9，当人眼对准透镜中心时，模拟人眼接收光线的光学结构示意图如图9，当人眼偏离光轴4mm时，其满足13mm观察范围设计要求，模拟人眼接收光线的光学结构示意图如图8，人眼偏离光轴4mm时，镜头的点列图见图7；从点列图7和图10看出在13mm观察区域内，观察角度范围为-55度至55度时，看到的景物将非常清晰。

参见图11本实用新型实施例中，当观察角度α为55度时，能达到相当于10米远看1124英寸的屏幕；具体实现的计算过程为：

虚拟图像尺寸= 2x10x1000xtgα/25.4=2x10x1000xtg55°/25.4=1124英寸

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种头戴式显示器，该头戴式显示器包括镜头和显示装置，所述镜头和所述显示装置位于同一光轴，其特征在于，

所述显示装置，进一步包括两个独立显示模块；

所述镜头由单片透镜构成，所述透镜的两个镜面分别为外凸的非球面镜面。

2.如权利要求1所述的头戴显示器，其特征在于，

所述两个独立显示模块为左右排列，其中，

左显示模块，用于显示左眼图像；

右显示模块，用于显示右眼图像。

3.如权利要求2所述的头戴式显示器，其特征在于：

所述显示模块的尺寸，为预先设定；

所述显示模块的显示屏，包括但不限定于，液晶显示屏LCD、发光二级管显示屏LED和有机发光二级管显示屏OLED。

4.如权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于：

所述显示模块，进一步包括，显示控制单元；

所述显示控制单元，用于控制显示模块的屏幕显示。

5.如权利要求1、2、3或4所述的头戴显示器，其特征在于，

所述透镜的两个非球面镜面中，一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值，小于另一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值；

所述两个非球面镜面的形状分别符合如下公式，

其中，

Z，为沿光轴方向在r位置以表面定点作参考距光轴；

R，为曲率半径；

r，为所述透镜高度；

K，为圆锥系数；

A、B、C、D、E、F、G、H、J，分别为各项次的非球面系数。

6.如权利要求5所述的头戴显示器，其特征在于，

人眼相对于所述镜头的光轴偏移量，其有效范围为0mm至4mm。

7.如权利要求5所述的头戴显示器，其特征在于，

由镜头和左显示模块所组成的左眼光学系统，具有从40到110度的视角，并且形成左眼图像的虚拟图像；

由镜头和右显示模块所组成的右眼光学系统，具有从40到110度的视角，并且形成右眼图像的虚拟图像。

8.如权利要求5所述的头戴显示器，其中，

左眼光学系统形成距离左眼10米或以上的左眼图像的1124英寸的放大虚拟图像；以及，

右眼光学系统形成距离右眼10米或以上的右眼图像的1124英寸的放大虚拟图像。