CN204536649U - 一种头戴目镜系统和头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种头戴目镜系统和头戴显示设备，所述头戴目镜系统包括：曲面显示屏和分别用于左眼和右眼的两组目镜；在光路光阑和所述曲面显示屏之间，沿着光线入射方向，每组目镜依次设置一负透镜和一正透镜，所述负透镜为可移动透镜，所述正透镜为固定透镜；所述负透镜可相对于正透镜做剪切移动，移动方向垂直于正透镜的光轴，移动轨迹位于正透镜的光轴与曲面显示屏的中心法线确定的平面内。本技术方案通过移动负透镜改变光线在负透镜的相对入射高度使所述头戴目镜系统能够适配不同曲率的曲面显示屏。

Description

一种头戴目镜系统和头戴显示设备

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，特别涉及一种头戴目镜系统和头戴显示设备。

背景技术

随着科学技术的进步，曲面显示屏将会逐渐进入人们的视野，因此曲面显示屏也会渐渐的应用于头戴式可视设备(Head Mount Display，HMD)系统中。

现今共轴的HMD光学系统无法满足曲面显示屏，且由于曲面显示屏在曲率上有一定的自由度所以需要光学系统能够以调节的方式满足于一定曲率范围下的曲面屏幕。

实用新型内容

本实用新型提供了一种头戴目镜系统和头戴显示设备，通过调节能够适配不同曲率的曲面显示屏。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一方面，本实用新型提供了一种头戴目镜系统，所述头戴目镜系统包括：曲面显示屏和分别用于左眼和右眼的两组目镜；在光路光阑和所述曲面显示屏之间，沿着光线入射方向，每组目镜依次设置一负透镜和一正透镜，

所述负透镜为可移动透镜，所述正透镜为固定透镜；

所述负透镜可相对于正透镜做剪切移动，移动方向垂直于正透镜的光轴，移动轨迹位于正透镜的光轴与曲面显示屏的中心法线确定的平面内。

其中，所述负透镜沿着光线入射方向依次包括：为平面的第一表面和为凹面的第二表面；

所述正透镜沿着光线入射方向依次包括：为凸面的第三表面和为平面的第四表面。

其中，所述头戴目镜系统的焦距f，所述负透镜的焦距f₁，正透镜的焦 距f₂满足下述关系式：

$-2.4<\frac{f_1}{f}<-\mathrm{0.6,0.3}<\frac{f_2}{f}<1.2.$

其中，所述头戴目镜系统的总长L，系统后焦l满足下述关系式：

$0.5<\frac{l}{L}<2.$

其中，所述负透镜的剪切位移量d，所述曲面显示屏的曲面半径R满足下述关系式：

$-6.8<d<\mathrm{6.8,0}<\frac{1}{R}<0.01.$

优选地，所述负透镜的第二表面和所述正透镜的第三表面均为非球面。

进一步优选地，所述第二表面和第三表面的非球面的最高项为二次项，

所述第二表面和第三表面的非球面二次项系数分别为k₂、k₃，其中-1＜k₂＜0，-20＜k₃＜-1。

进一步优选地，所述负透镜和所述正透镜均为塑料材质；

所述负透镜的折射率范围为1.45＜n₁＜1.75，色散范围为25＜v₁＜40；

所述正透镜的折射率范围为1.45＜n₂＜1.70，色散范围为50＜v₂＜75。

进一步优选地，所述负透镜为POLYCARB型号的塑料材质，其折射率n₁＝1.5588470，色散v₁＝29.91；

所述正透镜为E48R型号的塑料材质，其折射率n₂＝1.531160，色散v₂＝56.04。

另一方面，本实用新型提供了一种头戴显示设备，包括上述技术方案的头戴目镜系统。

本实用新型实施例的有益效果是：本实用新型公开了一种头戴目镜系统和头戴显示设备，由于曲面显示屏的弯曲法线平行于正透镜的光轴，造成与像面高度成正比的离焦，本实施通过调节负透镜进行相应于正透镜的剪切移动，可以有效的补偿次离焦，从而通过改变光线在负透镜表面的相对入射高 度来适配不同曲率的曲面显示屏。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的头戴显示设备的工作原理示意图；

图2为本实用新型实施例提供的头戴目镜系统的单组目镜结构示意图；

图3-a为本实用新型实施体提供的头戴目镜系统采用半径为100mm的曲面显示屏的光路示意图；

图3-b为本实用新型实施体提供的头戴目镜系统采用半径为200mm的曲面显示屏的光路示意图；

图3-c为本实用新型实施体提供的头戴目镜系统采用半径为400mm的曲面显示屏的光路示意图；

图3-d为本实用新型实施体提供的头戴目镜系统采用平面显示屏的光路示意图；

图4-a为本实用新型实施例提供的采用半径为100mm的曲面显示屏的头戴目镜系统的点列图；

图4-b为本实用新型实施例提供的采用半径为200mm的曲面显示屏的头戴目镜系统的点列图；

图4-c为本实用新型实施例提供的采用半径为400mm的曲面显示屏的头戴目镜系统的点列图；

图4-d为本实用新型实施例提供的采用平面显示屏的头戴目镜系统的点列图；

图5-a为本实用新型实施例提供的采用半径为100mm的曲面显示屏的头戴目镜系统的场曲曲线示意图；

图5-b为本实用新型实施例提供的采用半径为200mm的曲面显示屏的头戴目镜系统的场曲曲线示意图；

图5-c为本实用新型实施例提供的采用半径为400mm的曲面显示屏的头戴目镜系统的场曲曲线示意图；

图5-d为本实用新型实施例提供的采用平面显示屏的头戴目镜系统的场曲曲线示意图；

图6-a为本实用新型实施例提供的采用半径为100mm的曲面显示屏的头戴目镜系统的畸变像差曲线示意图；

图6-b为本实用新型实施例提供的采用半径为200mm的曲面显示屏的头戴目镜系统的畸变像差曲线示意图；

图6-c为本实用新型实施例提供的采用半径为400mm的曲面显示屏的头戴目镜系统的畸变像差曲线示意图；

图6-d为本实用新型实施例提供的采用平面显示屏的头戴目镜系统的畸变像差曲线示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

图1为本实用新型实施例提供的头戴显示设备的工作原理示意图，曲面显示屏发出的光经过对应于双眼的目镜系统在人眼前10m处形成一个巨大的虚像，再由人眼接收，从而给人以震撼的感觉。

设计该头戴显示设备的光学系统时，采用反向追迹，使头戴显示设备的曲面显示屏位于光学系统的像面位置，人眼观察瞳孔位于光阑处，系统所成虚像位于物面位置。

该光学系统包括曲面显示屏和相应于左右眼的两组目镜，每组目镜包括一正透镜和一负透镜，其中正透镜靠近人眼，负透镜靠近曲面显示屏；由于曲面显示屏的弯曲法线平行于正透镜的光轴，从而造成了与像面高度成正比的离焦，因此通过负透镜的位移可以有效的补偿次离焦，来适配不同曲率的曲面显示屏。

基于上述设计思想，本实用新型提供了一种头戴目镜系统，该头戴目镜系统包括：曲面显示屏和分别用于左眼和右眼的两组目镜；在光路光阑和曲面显示屏之间，沿着光线入射方向，每组目镜依次设置一负透镜和一正透镜。

如图2所示，为本实用新型实施例提供的头戴目镜系统的单组目镜结构示意图，负透镜L1为可移动透镜，用于改变光线在负透镜L1的相对入射高度，补偿曲面显示屏的离焦；正透镜L2为固定透镜；

负透镜L1相对正透镜L2作剪切位移移动，移动方向垂直于正透镜L2的光轴，移动轨迹位于正透镜L2的光轴与曲面显示屏的中心法线确定的平面内。

上述技术方案通过负透镜进行剪切位移移动，改变光线在负透镜的相对入射高度，补偿曲面显示屏的离焦，从而使该曲面显示屏的光学系统能够产生相应于平面显示屏的巨大虚像，被用户接收后能够产生沉浸的观影感觉，提高使用体验。

需要说明的是，为适配不同曲率曲面屏，也可以设置正透镜L2为可移动透镜，负透镜L1为固定透镜，或者负透镜L1和正透镜L2均为可移动透镜，通过移动正透镜L2或者移动负透镜L1和正透镜L2达到适配不同曲率的曲面显示屏的效果，但由于正透镜L2靠近人眼，暴露在外面，如果将正透镜L2设置为可移动透镜不仅会造成瞳距变化的麻烦，而且也不易于做防尘处理。因此，本技术方案将负透镜L1设置为可移动透镜，将正透镜L2设置为固定透镜。

其中，本实施例中的负透镜L1沿着光线入射方向依次包括：为平面的第一表面21和为凹面的第二表面22；

正透镜L2沿着光线入射方向依次包括：为凸面的第三表面23和为平面的第四表面24。

在本实用新型的一优选实施例中，上述头戴目镜系统的焦距f，负透镜L1的焦距f₁，正透镜L2的焦距f₂满足下述关系式：

$-2.4<\frac{f_1}{f}<-\mathrm{0.6,0.3}<\frac{f_2}{f}<1.2.$

上述头戴目镜系统的总长L，系统后焦l满足下述关系式：

$0.5<\frac{l}{L}<2;$

其中，头戴目镜系统的总长为从正透镜L2的第四表面24与曲面显示屏之间的距离，系统后焦为从负透镜L1的第一表面21与曲面显示屏之间的距离。

负透镜L1的剪切位移量d，曲面显示屏的曲面半径R满足下述关系式：

$-6.8<d<\mathrm{6.8,0}<\frac{1}{R}<0.01.$

在本实用新型的另一优选实施例中，负透镜L1的第二表面22和正透镜L2的第三表面23均为非球面；负透镜L1和正透镜L2均为塑料材质。本技术方案通过采用非球面塑料的正负透镜组合，能够保证单组目镜小型化、轻量化，并且能够降低成本。

需要说明的是，第二表面22和第三表面23的非球面的最高项次数为偶数，可以为大于或等于2，当最高项为二次项时，第二表面22和第三表面23的非球面二次项系数分别为k₂、k₃，其中-1＜k₂＜0，-20＜k₃＜-1。

进一步优选地，负透镜L1的折射率范围为1.45＜n₁＜1.75，色散范围为25＜v₁＜40；具体的，负透镜L1为POLYCARB型号的塑料材质，其折射率n₁＝1.5588470，色散v₁＝29.91；

正透镜L2的折射率范围为1.45＜n₂＜1.70，色散范围为50＜v₂＜75；具体的，正透镜L2为E48R型号的塑料材质，其折射率n₂＝1.531160，色散v₂＝56.04。

需要说明的是，本实施例的曲面显示屏也适用于柔性显示屏。

在上述技术方案中，该头戴目镜系统能够达到56°的最大视场角，出瞳距为12-15mm，系统轴向尺寸为56.4mm的技术指标，并且该头戴目镜系统能够适用于5.5寸曲面LED屏幕，该曲面LED屏幕的半径可以从100mm到正无穷大。

本实施例的头戴目镜系统包括曲面显示屏和左右眼的两组目镜，在光路光阑和曲面显示屏间，沿着光线入射方向，每组目镜中依次设置一负透镜和一正透镜，虽然由于曲面显示屏的弯曲法线平行于正透镜的光轴，会造成与像面高度成正比的离焦，但通过负透镜的位移可以有效的补偿次离焦，因此通过调节能够使该头戴目镜系统适配不同曲率的曲面显示屏。

本实用新型的另一实施例提供给了一种头戴显示设备，该头戴显示设备包括上述技术方案的头戴目镜系统。

优选地，该头戴式显示设备为插入手机型HMD，或者自带显示屏的HMD。

图3-a～图3-d分别是本实用新型实施体提供的头戴目镜系统采用半径依次为100mm、200mm、400mm曲面显示屏和平面显示屏的光路示意图，从四幅图中可以看出，当头戴目镜系统采用不同半径的曲面显示屏和平面显示屏时，正负透镜件的位置有明显不同。

图4-a～图4-d分别是采用半径依次为100mm、200mm、400mm曲面显示屏和平面显示屏头戴目镜系统的点列图，点列图显示的是系统的各个视场光线在像面处汇聚而形成的弥散斑，表征了系统得到各种相差的特性，点列图中的RMS RADIUS(均方根半径)越小证明系统的成像质量越好。四幅图中不同灰度颜色分别代表三种波段的光线，三种灰度颜色的弥散斑分的越开证明系统的色差越大，相应于图4-a～图4-d的不同显示屏的系统在成像角度(OBJ像面)0.00°、10.00°、25.00°、-10.00°、-25.00°、-28.00°以及28.00°下的弥散斑均方根半径依次为15.860μm、36.542μm、107.731μm、36.542μm、107.731μm、125.699μm、125.699μm(相应于图4-a的头戴目镜系统)；20.254μm、44.487μm、77.606μm、33.724μm、100.991μm、119.736μm、82.037μm(相应于图4-b的头戴目镜系统)；31.439μm、53.034μm、48.874μm、38.381μm、105.997μm、124.033μm、42.017μm(相应于图4-c的头戴目镜系统)；56.943μm、66.994μm、120.839μm、57.706μm、132.317μm、151.147μm、140.929μm(相应于图4-d的头戴目镜系统)；由此可知本系统的像差得到良好的校正。

图5-a～图5-d分别是采用半径依次为100mm、200mm、400mm曲面显示屏和平面显示屏头戴目镜系统的场曲曲线示意图，场曲曲线示意图t线为子午场曲，s线为弧矢场曲，子午场曲和弧矢场曲的差为系统的象散，场曲和象散影响着系统轴外视场光线的像差，差值过大会严重的影响到系统轴外光线的成像质量，从四幅图中相应的场曲曲线示意图中可以看出，本系统的场曲和象散均被校正到极小范围内；图6-a～图6-d分别是采用半径依次为100mm、200mm、400mm曲面显示屏和平面显示屏头戴目镜系统的畸变像差曲线示意图，畸变不会影响系统的清晰度，仅会引起系统图像变形，畸变可由后期图像处理来解决。

综上所述，本实用新型公开了一种头戴目镜系统和头戴显示设备，由于 曲面显示屏的弯曲法线平行于正透镜的光轴，造成与像面高度成正比的离焦，本实施通过调节负透镜进行相应于正透镜的剪切移动，可以有效的补偿次离焦，从而通过改变光线在负透镜表面的相对入射高度来适配不同曲率的曲面显示屏。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种头戴目镜系统，其特征在于，所述头戴目镜系统包括：曲面显示屏和分别用于左眼和右眼的两组目镜；在光路光阑和所述曲面显示屏之间，沿着光线入射方向，每组目镜依次设置一负透镜和一正透镜，

所述负透镜为可移动透镜，所述正透镜为固定透镜；

所述负透镜可相对于正透镜做剪切移动，移动方向垂直于正透镜的光轴，移动轨迹位于正透镜的光轴与曲面显示屏的中心法线确定的平面内。

2.根据权利要求1所述的头戴目镜系统，其特征在于，

所述负透镜沿着光线入射方向依次包括：为平面的第一表面和为凹面的第二表面；

所述正透镜沿着光线入射方向依次包括：为凸面的第三表面和为平面的第四表面。

3.根据权利要求1所述的头戴目镜系统，其特征在于，所述头戴目镜系统的焦距f，所述负透镜的焦距f₁，正透镜的焦距f₂满足下述关系式：

$-2.4<\frac{f_1}{f}<-\mathrm{0.6,0.3}<\frac{f_2}{f}<1.2.$

4.根据权利要求1所述的头戴目镜系统，其特征在于，所述头戴目镜系统的总长L，系统后焦l满足下述关系式：

$0.5<\frac{l}{L}<2.$

5.根据权利要求1所述的头戴目镜系统，其特征在于，所述负透镜的剪切位移量d，所述曲面显示屏的曲面半径R满足下述关系式：

-6.8＜d＜6.8， $0<\frac{1}{R}<0.01.$

6.根据权利要求1-5任一项所述的头戴目镜系统，其特征在于，所述负透镜的第二表面和所述正透镜的第三表面均为非球面。

7.根据权利要求6所述的头戴目镜系统，其特征在于，所述第二表面和第三表面的非球面的最高项为二次项，

所述第二表面和第三表面的非球面二次项系数分别为k₂、k₃，其中-1＜k₂＜0，-20＜k₃＜-1。

8.根据权利要求7所述的头戴目镜系统，其特征在于，所述负透镜和所述正透镜均为塑料材质；

所述负透镜的折射率范围为1.45＜n₁＜1.75，色散范围为25＜v₁＜40；

所述正透镜的折射率范围为1.45＜n₂＜1.70，色散范围为50＜v₂＜75。

9.根据权利要求8所述的头戴目镜系统，其特征在于，所述负透镜为POLYCARB型号的塑料材质，其折射率n₁＝1.5588470，色散v₁＝29.91；

所述正透镜为E48R型号的塑料材质，其折射率n₂＝1.531160，色散v₂＝56.04。

10.一种头戴显示设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的头戴目镜系统。