CN204515252U - 头戴式显示装置及其光学镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种头戴式显示装置及其光学镜头。该头戴式显示装置包括用以提供光束的发光单元、用以呈现影像画面的显示元件、棱镜以及光学镜头，该棱镜设置于显示元件、发光单元以及光学镜头之间，该发光单元所提供的光束于经过棱镜后被传送至显示元件并产生反射，且反射后的该光束于经过棱镜后被传送至光学镜头，而该光学镜头将所接收的该光束向外输出，以使影像画面被呈现。该光学镜头沿其光轴方向依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，且第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜中的至少二者具有相同的折射率以及相同的阿贝数。本实用新型藉由规范光学镜头的各透镜的折射率以及阿贝数而具有适当的视场角。

Description

头戴式显示装置及其光学镜头

技术领域

本实用新型关于显示装置，尤其是关于一种头戴式显示装置及其光学镜头。

背景技术

随着科技日新月异，人们对于信息的吸收，以及多媒体视讯的需求日渐增加，而其通常藉由视觉或听觉接收外界的信息，一般常见的多媒体播放装置、网络通讯装置，及电脑装置等，都是搭配LCD或是LED等显示器等使用，而得将其撷取的影像加以显示，但是其所能显示的影像画素及大小，受限于显示器的尺寸大小及其效能，并且缺少视觉效果，长时间使用也容易造成眼睛的疲劳。

因此，市面上出现了头戴显示器(Head-Mounted Display，以下简称HMD)。头戴显示器是一种立体视觉显示的光学产品，其是将具有两眼视差的三维效果的信号，依序透过设置于双眼前方的显示器以及光学镜头而传送至双眼，进而产生立体且大尺寸的影像。头戴式显示器通常是应用在增强现实(augmentedreality，AR)系统或是虚拟现实(virtual reality，VR)系统，并可跟着使用者移动并能当作一种输入设备来接收使用者的反应，且透过戴在使用者头部的头戴式显示器，图像和文字还可以加到使用者所观看的影像上，进而达到虚拟现实或是增强现实的效果。

而为了优化虚拟现实或是增强现实的效果，头戴式显示器可供使用者观赏到的视野范围极为重要，故如何使头戴式显示器中的光学镜头具有适当的视场角(Field of View，FOV)成为了本领域技术人员所致力开发的方向。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种头戴式显示装置及其光学镜头，其藉由规范光学镜头的各透镜的折射率以及阿贝数而具有适当的视场角。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种头戴式显示装置，包括用以呈现影像画面的显示元件、用以提供光束的发光单元、光学镜头以及棱镜，该棱镜设置于该显示元件、该发光单元以及该光学镜头之间，该发光单元所提供的该光束于经过该棱镜后被传送至该显示元件并产生反射，且反射后的该光束于经过该棱镜后被传送至该光学镜头，而该光学镜头将所接收的该光束向外输出，以使该影像画面被呈现；其中，该光学镜头沿其光轴方向依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，且该光束是由该第四透镜进入该光学镜头，并于通过该第一透镜后向外输出，而该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜以及该第四透镜中的至少二者具有相同的折射率以及相同的阿贝数。

较佳地，该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜以及该第四透镜中的该至少二者的该折射率为I，并满足下列条件：1.5<I<1.6。

较佳地，该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜以及该第四透镜中的该至少二者的该阿贝数为V，并满足下列条件：50<V<60。

较佳地，该第一透镜、第三透镜以及该第四透镜具有该相同的折射率以及该相同的阿贝数。

较佳地，该第一透镜、第三透镜以及该第四透镜具有正屈折力，而该第二透镜具有负屈折力。

较佳地，该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜以及该第四透镜皆为非球面透镜。

较佳地，该显示元件为反射式液晶(LCOS)元件或数字微型反射镜(DMD)元件。

较佳地，该棱镜为偏光分离棱镜(PBS)或全内反射棱镜(TIR)。

本实用新型亦提供一种应用于头戴式显示装置的光学镜头，沿其光轴方向依次包括具有正屈折力的第一透镜、具有负屈折力的第二透镜、具有正屈折力的第三透镜以及具有正屈折力的第四透镜，其中，该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜以及该第四透镜中的至少二者具有相同的折射率以及相同的阿贝数。

较佳地，该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜以及该第四透镜中的该至少二者的该折射率为I，并满足下列条件：1.5<I<1.6。

较佳地，该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜以及该第四透镜中的该至少二者的该阿贝数为V，并满足下列条件：50<V<60。

较佳地，该第一透镜、第三透镜以及该第四透镜具有该相同的折射率以及该相同的阿贝数。

较佳地，该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜以及该第四透镜皆为非球面透镜。

本实用新型头戴式显示装置及其光学镜头，藉由规范光学镜头的各透镜的折射率以及阿贝数而使光学镜头和头戴式显示装置具有适当的视场角。

附图说明

图1：为本实用新型头戴式显示装置于一较佳实施例的外观结构示意图。

图2：为图1所示头戴式显示装置的内部结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1与图2，图1为本实用新型头戴式显示装置于一较佳实施例的外观结构示意图，图2为图1所示头戴式显示装置的内部结构示意图。头戴式显示装置1包括一框架11以及设置于框架11内的显示元件12、发光单元13、光学镜头14与棱镜15；其中，框架11用于被佩带于使用者的头部，以供使用者的双眼2进行观看，且发光单元13用以提供光束L予用以呈现影像画面的显示元件12，而棱镜15则设置于显示元件12、发光单元13以及光学镜头14之间，发光单元13所提供的光束L会于经过棱镜15后往显示元件12的方向行进并产生反射，且反射后的光束L再经过棱镜15后往光学镜头14的方向行进，最后，光学镜头14将所接收的光束L向外输出，使得影像画面被放大呈现于使用者的双眼2。

较佳者，显示元件12为一反射式液晶(LCOS)元件，且棱镜15为一偏光分离棱镜(PBS)，但并不以上述为限，例如，显示元件12亦可为一数字微型反射镜(DMD)元件，且棱镜15亦可为一全内反射棱镜(TIR)。

再者，光学镜头14沿其光轴149方向依次包括具有正屈折力的第一透镜141、具有负屈折力的第二透镜142、具有正屈折力的第三透镜143以及具有正屈折力的第四透镜144，且第一透镜141、第二透镜142、第三透镜143以及第四透镜144皆为非球面透镜，而非球面的曲线方程式表示如下：

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\&alpha;}}_1{r}^2++{\mathrm{\&alpha;}}_2{r}^4+{\mathrm{\&alpha;}}_3{r}^6+{\mathrm{\&alpha;}}_4{r}^8+{\mathrm{\&alpha;}}_5{r}^{10}+{\mathrm{\&alpha;}}_6{r}^{12}+...;$

其中，Z为非球面的旋转对称轴，c为顶点曲率，r为顶点曲率半径，k为圆锥常数，α₄～α₁₄则为各表面的第4～14阶系数。

再者，于本较佳实施例中，第一透镜141的第一表面S1与第二表面S2、第二透镜142的第一表面S3与第二表面S4、第三透镜143的第一表面S5与第二表面S6以及第四透镜144的第一表面S7与第二表面S8的非球面系数参照下列表1。

于本实用新型的光学镜头14中，第一透镜141、第二透镜142、第三透镜143以及第四透镜144中的至少二者具有相同的折射率I，且该相同的折射率I满足下述焦距条件：1.5<I<1.6；又，第一透镜141、第二透镜142、第三透镜143以及第四透镜144中的至少二者具有相同的阿贝数V，且该相同的阿贝数V满足下述焦距条件：50<V<60。

请参照下列表2，其为图2所示光学镜头14于一较佳实施例的光学数据表。

于本较佳实施例中，光学镜头14的第一透镜141、第三透镜143以及第四透镜144具有相同的折射率I以及相同的阿贝数V，且该相同的折射率I＝1.53116，而该相同的阿贝数V＝56.0438；其中，光学镜头14的整体焦距＝18.5256mm，光圈值＝4.6222，视场角＝36度。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的权利要求范围，因此凡其它未脱离本实用新型所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含于本实用新型的专利保护范围内。

Claims (13)

1.一种头戴式显示装置，其特征在于，包括：

用以呈现影像画面的显示元件；

用以提供光束的发光单元；

光学镜头；以及

棱镜，设置于该显示元件、该发光单元以及该光学镜头之间，该发光单元所提供的该光束于经过该棱镜后被传送至该显示元件并产生反射，且反射后的该光束于经过该棱镜后被传送至该光学镜头，而该光学镜头将所接收的该光束向外输出，以使该影像画面被呈现；

其中，该光学镜头沿其光轴方向依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，且该光束是由该第四透镜进入该光学镜头，并于通过该第一透镜后向外输出，而该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜以及该第四透镜中的至少二者具有相同的折射率以及相同的阿贝数。

2.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜以及该第四透镜中的该至少二者的该折射率为I，并满足下列条件：1.5<I<1.6。

3.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜以及该第四透镜中的该至少二者的该阿贝数为V，并满足下列条件：50<V<60。

4.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，该第一透镜、第三透镜以及该第四透镜具有该相同的折射率以及该相同的阿贝数。

5.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，该第一透镜、第三透镜以及该第四透镜具有正屈折力，而该第二透镜具有负屈折力。

6.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜以及该第四透镜皆为非球面透镜。

7.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，该显示元件为反射式液晶元件或数字微型反射镜元件。

8.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，该棱镜为偏光分离棱镜或全内反射棱镜。

9.一种应用于头戴式显示装置的光学镜头，其特征在于，沿其光轴方向依次包括：

第一透镜，具有正屈折力；

第二透镜，具有负屈折力；

第三透镜，具有正屈折力；以及

第四透镜，具有正屈折力；

其中，该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜以及该第四透镜中的至少二者具有相同的折射率以及相同的阿贝数。

10.如权利要求9所述的光学镜头，其特征在于，该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜以及该第四透镜中的该至少二者的该折射率为I，并满足下列条件：1.5<I<1.6。

11.如权利要求9所述的光学镜头，其特征在于，该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜以及该第四透镜中的该至少二者的该阿贝数为V，并满足下列条件：50<V<60。

12.如权利要求9所述的光学镜头，其特征在于，该第一透镜、第三透镜以及该第四透镜具有该相同的折射率以及该相同的阿贝数。

13.如权利要求9所述的光学镜头，其特征在于，该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜以及该第四透镜皆为非球面透镜。