CN204964882U - 用于头戴式显示设备的光学系统及头戴式显示设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于头戴式显示设备的光学系统和头戴式显示设备。该用于头戴式显示设备的光学系统的特征在于包括：显示屏；和透镜单元，它位于显示屏前方，其中，所述透镜单元从远离显示屏的一侧到接近显示屏的一侧依次包括第一正透镜和第二负透镜，其中，所述第一正透镜包括第一表面和第二表面，所述第一表面背向显示屏并且是凸面的，所述第二表面是具有正光焦度的菲涅尔表面。本实用新型所要解决的一个技术问题是如何在头戴式显示设备中提供一种光学系统以减小长度。本实用新型的一个用途是用于头戴式显示设备。
Description
技术领域
本实用新型涉及头戴式显示设备(HMD)，更具体地，本实用新型涉及一种用于头戴式显示设备的光学系统和头戴式显示设备。
背景技术
头戴式显示设备可以通过光学系统放大显示屏上的图像，将影像投射于人眼的视网膜上，进而给观看者的眼睛呈现大屏幕图像。更形象来说，类似于使用放大镜观看物体，其中，放大的虚拟物体图像被呈现给人眼。所述光学系统主要包括光学透镜。
目前，由于头戴式显示设备的体积、重量、视场角等限制，这种设备的应用受到限制。
因此，需要对现有技术的头戴式显示设备进行改进。
实用新型内容
本实用新型的一个目的是提供一种用于头戴式显示设备的光学系统。
本实用新型所要解决的一个技术问题是如何在头戴式显示设备中提供一种光学系统以减小长度。
根据本实用新型的一个方面，提供一种用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于，包括：显示屏；和透镜单元，它位于显示屏前方，其中，所述透镜单元从远离显示屏的一侧到接近显示屏的一侧依次包括第一正透镜和第二负透镜，其中，所述第一正透镜包括第一表面和第二表面，所述第一表面背向显示屏并且是凸面的，所述第二表面是具有正光焦度的菲涅尔表面。
优选地，所述第二负透镜是双凹非球面透镜。
优选地，所述第二负透镜是负菲涅尔透镜。
优选地，所述菲涅尔表面的基底是平面的。
优选地，所述显示屏能相对于透镜单元移动以用于内调焦。
优选地，所述透镜单元的总焦距为f，第一正透镜的焦距为f1，第二负透镜的焦距为f2，所述透镜单元的后焦长度为L，以及满足以下关系：0.5＜f1/f＜1，-5＜f2/f＜-2，以及10mm＜L＜25mm。
优选地，第一正透镜的折射率n1的范围是1.45＜n1＜1.70，以及其色散v1的范围是50＜v1＜75。优选地，第二负透镜的折射率n2的范围是1.45＜n2＜1.70，以及其色散v2的范围是20＜v2＜40。
优选地，第一正透镜是PMMA型塑料材质的，其折射率和色散分别为n1＝1.49，v1＝57。优选地，第二负透镜是PC型塑料材质的，其折射率和色散分别为n2＝1.59，v2＝30。
根据本实用新型的另一个方面，提供一种头戴式显示设备，包括上述光学系统。
本实用新型的一个技术效果在于，通过在光学系统中使用菲涅尔透镜，可以减小头戴式显示设备中的光学系统的长度。
通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本实用新型的实施例，并且连同说明书一起用于解释本实用新型的原理。
图1示意性地示出了头戴式显示设备的结构。
图2示意性地示出了根据本实用新型的用于头戴式显示设备的光学系统的结构。
图3示意性地解释了菲涅尔透镜的原理。
图4示意性地示出了光学系统的畸变曲线的示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图1示意性地示出了头戴式显示设备的结构。
如图1所示，头戴式显示设备包括根据本实用新型的光学系统。该光学系统包括透镜单元102和显示屏103。透镜单元102位于显示屏103的前方。人眼101通过透镜单元102观看图像。由显示屏103发出的光线经过透镜单元102进行成像，例如，在人眼101前方5米远处形成一个巨大的虚像。人眼101所观察的是该虚像。透镜单元102的作用和放大镜相似。它的目的是放大显示屏上的图像，在远处形成虚像，例如，在位置104处形成的虚像。
图2示意性地示出了根据本实用新型的用于头戴式显示设备的光学系统的结构。
如图2所示，该光学系统包括透镜单元102和显示屏103。透镜单元102位于显示屏前方。
图2中还是出来透镜单元102的结构。透镜单元102从远离显示屏的一侧到接近显示屏的一侧依次包括第一正透镜L1和第二负透镜L2。
所述第一正透镜L1包括第一表面和第二表面。如图2所示，所述第一表面背向显示屏并且是凸面的。所述第二表面是具有正光焦度的菲涅尔表面。
图3示意性地解释了具有正光焦度的菲涅尔透镜的原理。如图3所示，左侧301表示凸透镜。通过去除凸透镜301中可能多的光学材料并保留表面的弯曲度，得到右侧302所示的菲涅尔透镜。通过使用菲涅尔透镜，可以减小光学系统的长度，从而减小整个头戴式显示设备的长度。
如图2所示，第二负透镜L2可以是双凹非球面透镜。在光学系统中采用非球面的负透镜可以有效的减少畸变。图4是示意性地示出了光学系统的畸变曲线的示意图，图4中曲线表示不同视场角情况下的畸变大小值(百分比)，其中横坐标表示畸变的百分比。另外，这种简单的配置也可以减小光学系统的长度。在一个例子中，第二负透镜还可以是负菲涅尔透镜，从而进一步减小光学系统的长度。
第一正透镜L1和第二负透镜L2可以是塑料材质的。采用塑料制造的透镜的形状容易加工，并且这种透镜轻便。此外，塑料材质价格低廉。
第一透镜L1的菲涅尔表面的基底可以是平面的。这样的透镜容易加工。
在本实用新型中，显示屏103能相对于透镜单元102移动以用于内调焦。根据本实用新型的光学系统能够适用于具有较高近视度的人群。
图2中还示出了光学系统的光路图。从显示屏103发出的光线经过透镜单元102中的第二负透镜L2和第一正透镜L1之后发生汇聚。
在本实用信息中，透镜单元102的总焦距为f，第一正透镜L1的焦距为f1，第二负透镜L2的焦距为f2，所述透镜单元的后焦长度为L。当上述参数满足以下关系时可以得到较好的光学特性：
0.5＜f1/f＜1，
-5＜f2/f＜-2，以及
10mm＜L＜25mm。
在一个优选实施方式中，第一正透镜L1的折射率n1的范围是1.45＜n1＜1.70，以及其色散v1的范围是50＜v1＜75。第二负透镜L2的折射率n2的范围是1.45＜n2＜1.70，以及其色散v2的范围是20＜v2＜40。更优选地，第一正透镜L1是PMMA型塑料材质的，其折射率和色散分别为n1＝1.49，v1＝57，以及第二负透镜L2是PC型塑料材质的，其折射率和色散分别为n2＝1.59，v2＝30。
虽然已经通过示例对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于，包括：
显示屏；和
透镜单元，它位于显示屏前方，
其中，所述透镜单元从远离显示屏的一侧到接近显示屏的一侧依次包括第一正透镜和第二负透镜，
其中，所述第一正透镜包括第一表面和第二表面，所述第一表面背向显示屏并且是凸面的，所述第二表面是具有正光焦度的菲涅尔表面。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二负透镜是双凹非球面透镜。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二负透镜是负菲涅尔透镜。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，第一正透镜和第二负透镜是塑料材质的。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述菲涅尔表面的基底是平面的。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述显示屏能相对于透镜单元移动以用于内调焦。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述透镜单元的总焦距为f，第一正透镜的焦距为f1，第二负透镜的焦距为f2，所述透镜单元的后焦长度为L，以及满足以下关系：
0.5＜f1/f＜1，
-5＜f2/f＜-2，以及
10mm＜L＜25mm。
8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，第一正透镜的折射率n1的范围是1.45＜n1＜1.70，以及其色散v1的范围是50＜v1＜75，
第二负透镜的折射率n2的范围是1.45＜n2＜1.70，以及其色散v2的范围是20＜v2＜40。
9.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，第一正透镜是PMMA型塑料材质的，其折射率和色散分别为n1＝1.49，v1＝57，以及
第二负透镜是PC型塑料材质的，其折射率和色散分别为n2＝1.59，v2＝30。
10.一种头戴式显示设备，包括根据权利要求1所述的光学系统。
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