CN205982843U - 一种头戴式显示器及其光路结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型要解决的问题是提供一种光路结构以及包含其的头戴式显示器，包括显示器件、目镜，所述显示器件为微型显示器，所述目镜包括光阑和透镜，所述显示器件发出的光通过透镜折射后进入光阑过滤，最终进入人眼的视网膜上成像.所述光路结构为像方远心光路结构，所述透镜为透镜组，所述透镜组包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜和第二透镜为相向放置且各项参数完全相同的两块透镜。有益效果在于：具有结构紧凑，质量轻的优点；目镜出瞳直径大于一般的目镜，出瞳距离长，视场角大，焦距小和F/#小；所有视场主光线在像面上的入射角均小于3度，可以保证像面照度比较均匀，利于人眼观看。

Description

一种头戴式显示器及其光路结构

技术领域

本实用新型涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种头戴式显示器及其光路结构。

背景技术

头戴式显示器通过一组光学系统(主要是精密光学透镜)放大超微显示屏上的图像，将影像投射于视网膜上,进而呈现于观看者眼中大屏幕图像的装置。

头戴式显示器(Head Mounted Display)是近年来显示领域的热门产品，用于虚拟现实和增强现实的头戴图像显示装置取得了长足的发展。由于头戴显示装置安装在观察者的头部，因此它必须结构紧凑、重量轻，以减轻观察者的负载。头盔显示器主要由三个部分构成：显示部件、光学镜头和卡环，要减轻重量，光学系统是关键，但光学系统的紧凑型与头戴显示器对光学系统成像质量的要求之间存在一定的矛盾。对于头戴显示器而言，要求光学系统可以做到比较大的视场和出瞳直径，因为观察视场的增加，观察范围也会增加，观察者才能更全神贯注的观察优质的动态图像，出瞳直径增加可以保证卡环适应不同瞳距的观察者，而不必调整显示器的瞳距，同时允许观察者在观察过程中眼珠能随意转动而不至于丢失图像。但光学系统的视场、出瞳直径、焦距三者之间有相互制约的关系，同时达到大视场，大出瞳直径和短焦(即系统的紧凑化)并不容易。另外，像面的照度的均匀性也对使用头盔显示器观看时的观看质量有明显影响，光学系统需要兼顾上述多种需求。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是：本实用新型要解决的问题是提供一种头戴式显示器及其光路结构。

本实用新型的技术方案如下：一种用于头戴式显示器的光路结构，包括显示器件、目镜，所述显示器件为微型显示器，所述目镜包括光阑和透镜，所述显示器件发出的光通过透镜折射后进入光阑过滤，最终进入人眼的视网膜上成像.所述光路结构为像方远心光路结构，所述透镜为透镜组，所述透镜组包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜和第二透镜为相向放置且各项参数完全相同的两块透镜；所述目镜从人眼侧到显示器件侧沿光轴方向依次排列着光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜；

其中，所述第一透镜与第二透镜的组合焦距为f12，所述第三透镜的焦距为f3，由第一透镜、第二透镜、第三透镜组合而成的透镜组的总焦距为fw，所述f12、f3、fw需同时满足以下关系式(1)-(2)：

进一步，所述第一透镜和第二透镜均为正透镜；所述第三透镜为负透镜。

再进一步，所述第一透镜和第二透镜为相向放置的两块各项参数完全相同的正透镜，且两者相向一侧的面均凸向对方，两者相向一侧面的曲率半径均为正值。

进一步，所述第三透镜在d线的折射率Nd3＞1.6。

进一步，所述第一透镜和第二透镜在d线的阿贝数Vd1和Vd2均大于40。

进一步，所述焦距f12、f3、fw之间的关系还需满足以下关系式(3)-(4)：

进一步，所述光阑面向第一透镜一侧的表面与第一透镜面向光阑一侧的表面两者之间的光路距离大于30mm，所述目镜的出瞳直径不大于6mm。

进一步，所述光阑与第一透镜之间设有若干反射镜。

进一步，所述微型显示器为微型OLED显示器，且所述的微型OLED显示器的对角长度不大于3英寸。

一种头戴式显示器，包含上述内容中所述的光路结构。

本实用新型的有益效果在于：具有结构紧凑，质量轻的优点；目镜出瞳直径大于一般的目镜，出瞳距离长，视场角大，焦距小和F/#小；目镜像方远心，所有视场主光线在像面上的入射角均小于3度，可以保证像面照度比较均匀，利于人眼观看。

附图说明

图1为本实用新型中实施例1的结构示意图。

图2为本实用新型中实施例2的结构示意图。

图3为本实用新型中实施例3的结构示意图。

图4为本实用新型中f12与f3之间的等效距离d的示意图。

其中：1、微型显示器、 2、光阑、

3、第一透镜、 4、第二透镜、

5、第三透镜、 6、第一反射镜、

7、第二反射镜。

具体实施方式

技术名词说明：

焦距：焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指平行光入射时从透镜光心到光聚集之焦点的距离。本案中f12为第一透镜和第二透镜组合后的组合焦距，f3为第三透镜本身的焦距，fw为包含第一透镜、第二透镜、第三透镜的透镜组的总体焦距。其中：fw≠f12+f3；

其中，d为f12与f3之间的等效距离，如图4所示。

折射率：折射率，光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比。材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强。折射率越高，镜片越薄，即镜片中心厚度相同，相同度数同种材料，折射率高的比折射率低的镜片边缘更薄。本案中涉及Nd3，其解释为第三透镜在d线的折射率，也可以理解是介质在方和菲光谱d(氦黄线587.56nm)的折射率。

阿贝数，也称″V-数″,用来衡量介质的光线色散程度。由于同一透明介质对不同波长的光存在折射率的差异，而白光又是由不同波长的各色光组成的，因此透明物质在折射白光时会发生色散这一特殊现象。阿贝数就是用以表示透明物质色散能力的反比例指数，数值越小色散现象越厉害。本案中涉及的Vd1和Vd2指的是第一透镜和第二透镜在d线的阿贝数，也可以理解为是介质在方和菲光谱d(氦黄线587.56nm)的阿贝数。

出瞳直径：是指光线经过目镜汇聚后，在目镜后形成的亮斑的直径。

下面结合附图本实用新型的3种实施例做出简要说明。

实施例1：

如图1所示，用于头戴式显示器的光路结构，包括显示器件1、目镜，所述显示器件为1.3寸的OLED微型显示器1，所述目镜包括光阑2和透镜，所述显示器件发出的光通过透镜折射后进入光阑2过滤，最终进入人眼的视网膜上成像，所述光路结构为像方远心光路结构。

所述透镜为透镜组，所述透镜组包括第一透镜3、第二透镜4和第三透镜5，所述第一透镜3和第二透镜4为相向放置且各项参数完全相同的两块正透镜，且两者相向一侧的面均凸向对方，两者相向一侧面的曲率半径均为正值。所述第三透镜5为负透镜。

所述目镜从人眼侧到显示器件侧沿光轴方向依次排列着光阑2、第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5。

所述第一透镜3与第二透镜4的组合焦距为f12，所述第三透镜5的焦距为f3，由第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5组合而成的透镜组的总焦距为fw，所述f12、f3、fw满足所述第三透镜5在d线的折射率Nd3＞1.6，所述第一透镜3和第二透镜4在d线的阿贝数Vd1和Vd2均大于40。

所述光阑2面向第一透镜3一侧的表面与第一透镜面3向光阑4一侧的表面两者之间的光路距离L大于30mm，所述目镜的出瞳直径M不大于6mm。

实施例2：

本实施例中所述光阑面向第一透镜一侧的表面与第一透镜面向光阑一侧的表面两者之间的光路距离L由如图2所示的L1和L2构成，即，L＝L1+L2.

如图2所示，用于头戴式显示器的光路结构，包括显示器件1、目镜和第一反射镜6，所述显示器件为2.3寸的OLED微型显示器1，所述目镜包括光阑2和透镜，所述显示器件发出的光通过透镜折射后，再经第一反射镜5改变方向后进入光阑2过滤，最终进入人眼的视网膜上成像，所述光路结构为像方远心光路结构。

所述透镜为透镜组，所述透镜组包括第一透镜3、第二透镜4和第三透镜5，所述第一透镜3和第二透镜4为相向放置且各项参数完全相同的两块正透镜，且两者相向一侧的面均凸向对方，两者相向一侧面的曲率半径均为正值。所述第三透镜5为负透镜。

所述目镜从人眼侧到显示器件侧沿光轴方向依次排列着光阑2、第一反射镜6、第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5。

所述第一透镜3与第二透镜4的组合焦距为f12，所述第三透镜3的焦距为f3，由第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5组合而成的透镜组的总焦距为fw，所述f12、f3、fw满足所述第三透镜在d线的折射率Nd3＞1.6，所述第一透镜3和第二透镜4在d线的阿贝数Vd1和Vd2均大于40。

所述光阑2与第一反射镜6之间的光路距离为L1，所述第一反射镜6与第一透镜3之间的光路距离为L2，所述光阑2与第一透镜3之间的光路距离L为L＝L1+L2，且L大于30mm，所述目镜的出瞳直径M不大于6mm。

实施例3

本实施例中所述光阑面向第一透镜一侧的表面与第一透镜面向光阑一侧的表面两者之间的光路距离L由如图3所示的L1、L2和L3构成，即，L＝L1+L2+L3。

如图3所示，用于头戴式显示器的光路结构，包括显示器件1、目镜、第一反射镜6和第二反射镜7，所述显示器件为1.04寸的OLED微型显示器1，所述目镜包括光阑2和透镜，所述显示器件发出的光通过透镜折射后，再经第一反射镜6和第二反射镜7改变方向后进入光阑2过滤，最终进入人眼的视网膜上成像，所述光路结构为像方远心光路结构。

所述透镜为透镜组，所述透镜组包括第一透镜3、第二透镜4和第三透镜5，所述第一透镜3和第二透镜4为相向放置且各项参数完全相同的两块正透镜，且两者相向一侧的面均凸向对方，两者相向一侧面的曲率半径均为正值。所述第三透镜5为负透镜。

所述目镜从人眼侧到显示器件侧沿光轴方向依次排列着光阑2、第二反射镜7、第一反射镜6、第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5。

所述第一透镜3与第二透镜4的组合焦距为f12，所述第三透镜3的焦距为f3，由第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5组合而成的透镜组的总焦距为fw，所述f12、f3、fw满足所述第三透镜在d线的折射率Nd3＞1.6，所述第一透镜3和第二透镜4在d线的阿贝数Vd1和Vd2均大于40。

所述光阑2与第二反射镜6之间的光路距离为L1’，所述第一反射镜与第二反射镜之间的光路距离为L2’,所述第一反射镜6与第一透镜3之间的光路距离为L3’，所述光阑2与第一透镜3之间的光路距离L为L＝L1+L2+L3，且L大于30mm，所述目镜的出瞳直径M不大于6mm。

本实用新型提出了一种结构非常紧凑、质量很轻的光路结构，用于头戴式显示器中，将头盔微型显示器件显示的图像放大并经位于光阑处的人眼成像。该目镜出瞳直径大于一般的目镜，出瞳距离长，视场角大，采用微型显示器保证结构紧凑，因此焦距小和F/#小；并且本实用新型的目镜像方远心，所有视场主光线在像面上的入射角均小于3度，可以保证像面照度比较均匀，利于人眼观看。

以上对本实用新型的三个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种光路结构，包括显示器件、目镜，所述显示器件为微型显示器，所述目镜包括光阑和透镜，所述显示器件发出的光通过透镜折射后进入光阑过滤，最终进入人眼的视网膜上成像；其特征在于：所述光路结构为像方远心光路结构，所述透镜为透镜组，所述透镜组包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜和第二透镜为相向放置且各项参数完全相同的两块透镜；所述目镜从人眼侧到显示器件侧沿光轴方向依次排列着光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜；

其中，所述第一透镜与第二透镜的组合焦距为f12，所述第三透镜的焦距为f3，由第一透镜、第二透镜、第三透镜组合而成的透镜组的总焦距为fw，所述f12、f3、fw需同时满足以下关系式(1)-(2)：

2.根据权利要求1所述的一种光路结构，其特征在于：所述第一透镜和第二透镜均为正透镜；所述第三透镜为负透镜。

3.根据权利要求2所述一种光路结构，其特征在于：所述第一透镜和第二透镜为相向放置的两块各项参数完全相同的正透镜，且两者相向一侧的面均凸向对方，两者相向一侧面的曲率半径均为正值。

4.根据权利要求1或3所述一种光路结构，其特征在于：所述第三透镜在d线的折射率Nd3＞1.6。

5.根据权利要求1或3所述一种光路结构，其特征在于：所述第一透镜和第二透镜在d线的阿贝数Vd1和Vd2均大于40。

6.根据权利要求1所述一种光路结构，其特征在于：所述焦距f12、f3、fw之间的关系还需满足以下关系式(3)-(4)：

7.根据权利要求1所述一种光路结构，其特征在于：所述光阑面向第一透镜一侧的表面与第一透镜面向光阑一侧的表面两者之间的光路距离大于30mm，所述目镜的出瞳直径不大于6mm。

8.根据权利要求1所述一种光路结构，其特征在于：所述光阑与第一透镜之间设有若干反射镜。

9.根据权利要求1所述一种光路结构，其特征在于：所述微型显示器为微型OLED显示器，且所述的微型OLED显示器的对角长度不大于3英寸。

10.一种头戴式显示器，其特征在于：包含权利要求1所述的光路结构。