CN206431370U - 紧凑式虚拟现实近眼显示系统及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了紧凑式虚拟现实近眼显示系统，包括用于构建虚像的发出偏振光显示屏、两个相位延迟器、两个偏振片及成像透镜；显示屏、第一相位延迟器、第一偏振片、第二相位延迟器、第二偏振片及成像透镜自显示屏所在的区域向成像透镜所在的区域依次排列布置，偏振光在相位延迟器和偏振片之间进行光路折叠，成像透镜设置在近眼端，方便拆装，清洗检修，光路折叠使其提高光能利用率，减小BFL的同时保证成像质量，使整个系统厚度缩小，重量降低，降低制造成本，有利于市场的推广及应用。本实用新型的第二个实用新型目在于提供头戴显示设备，应用了上述所述的系统，同样具有方便制作、短后工作距离及重量轻的优点，同时，有效提高使用者的沉浸感。

Description

紧凑式虚拟现实近眼显示系统及头戴显示设备

技术领域

本实用新型属于近眼显示系统领域，更具体为一种紧凑式虚拟现实近眼显示系统及头戴显示设备。

背景技术

虚拟现实装置可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，利用多源信息融合形成交互式的三维动态视景，使用户沉浸到该环境中。

在近眼显示设备中，近眼显示光学系统是核心组成部分。一般情况下，近眼显示系统中虚拟现实显示屏距离使用者的眼球10cm左右，通过特殊的光学装置将图像清晰地投射在人眼的视网膜上，在使用者眼前呈现出虚拟大幅画像。由此应用于虚拟现实或增强现实，增强现实即是在看到虚拟图像的同时也会看到现实场景。

对于目前虚拟现实头戴显示产品，由于目前屏幕分辨率的限制，VR显示产品基本采用单镜片成像，系统总长较长，光能利用率较低，整个系统较庞大，导致重量比较重，长时间佩戴会使用户产生不适，严重影响用户的体验，这也是VR目前没有被广泛接受的原因之一。因此，只有使用小尺寸屏幕和短的TTL才能达到要求，而小尺寸屏幕和短的TTL都要求目镜具有短焦距。但镜片的焦距越短，带来的像差就会越多，单镜片根本无法满足设计要求，而使用多镜片就会增加重量，同时镜片组的整体厚度不一定会使TTL减小，且制造成本也会相应增多，进而导致市场售价也比较贵，普通人根本无法接受此价格，不利于市场的推广及应用。

目前，专利号为201610164110.0，201610059513.9和201610059528.5的三篇中国发明专利说明书均公开了短距离光学放大模组，其同样是利用光路折叠原理实现缩短BFL，但是其均是将成像透镜设置在第一相位延迟片和第二相位延迟片之间，这样做的VR眼镜可能会出现色差、杂散光，对成像质量造成一定的影响；并且透镜在后期可能还不方便调节。

发明内容

基于上述现有技术存在的一些缺陷，本实用新型第一个发明目的在于提供一种紧凑式虚拟现实近眼显示系统，该系统充分利用屏幕发出的偏振光，通过偏振光在相位延迟器和偏振膜之间进行光路折叠，具有超高的光能利用率，减小BFL的同时保证成像质量，且使整个系统厚度缩小，重量降低，成像透镜位于近眼端的设置方式还方便紧凑式虚拟现实近眼显示系统的组成，降低制造难度的同时方便对成像透镜的清洗和维护，方便对成像透镜的拆装，有利于市场的推广及应用。本实用新型的第二个发明目在于提供一种头戴显示设备，它应用了紧凑式虚拟现实近眼显示系统，同样具有方便制造、短后工作距离及重量轻的优点，同时，有效提高使用者的沉浸感。

上述紧凑式虚拟现实近眼显示系统和头戴显示设备技术上相互关联，属于同一个发明构思。

为了实现上述第一个发明目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种紧凑式虚拟现实近眼显示系统，包括显示屏、相位延迟器、偏振膜及成像透镜；成像透镜在近眼端；

-所述显示屏是发出偏振光的显示屏；

-所述相位延迟器包括第一相位延迟器及第二相位延迟器；

-所述偏振膜包括第一偏振膜及第二偏振膜；

-第一相位延迟器、第二相位延迟器、第一偏振膜及第二偏振膜位于成像透镜和显示屏之间；

-所述显示屏、第一相位延迟器、第一偏振膜、第二相位延迟器、第二偏振膜及成像透镜自显示屏所在的远眼区域向成像透镜所在的近眼区域依次排列布置；

-显示屏发出的偏振光向所述成像透镜位置方向传播，偏振光在第一相位延迟器的作用下在第一偏振膜处透射，透射的光线在第二相位延迟器的作用下在第二偏振膜处反射，反射的光线在第二相位延迟器的作用下在第一偏振膜处反射，反射的光线在第二相位延迟器的作用下透射，以使显示屏发出的偏振光在所述相位延迟器和偏振膜之间进行光路折叠，进而过成像透镜进入到人眼中。

作为优选，紧凑式虚拟现实近眼显示系统的BFL小于等于20mm。

作为优选，紧凑式虚拟现实近眼显示系统的TTL距离小于等于25mm。

作为优选，所述成像透镜为菲涅尔镜片，使用菲涅尔镜片的紧凑式虚拟现实近眼显示系统TTL的距离小于等于20mm。

作为优选，偏振光偏振态与偏振膜偏振态相同时，其透射率在70％～99％之间；偏振光偏振态与偏振膜偏振态垂直时，反射率在70％～99％之间。

作为优选，所述相位延迟器为用于改变光的偏振方向的波片或者旋光器，所述波片的相位延迟效率在70％～99％之间。

作为优选，所述光路折叠方式如下：

-偏振光在第一相位延迟器的作用下旋转90度，使得光与第一偏振膜偏振态相同，透射；

-透射的光线在第二相位延迟器的作用下，光线偏振态旋转45度并与第二偏振膜垂直，在第二偏振膜处反射；

-反射的光线在第二相位延迟器的作用下，光线偏振态旋转45度，使其偏振态与第一偏振膜偏振态垂直，反射；

-第一偏振膜处反射，反射的光线在第二相位延迟器的作用下，光线偏振态旋转45度，在第二偏振膜处透射；

-经过成像透镜，入眼。

一种包含权上述的紧凑式虚拟现实近眼显示系统的头戴显示设备，其特征在于：头戴显示设备包括头戴支架，头戴支架对应于人眼位置设有安装槽；紧凑式虚拟现实近眼显示系统

进一步的，头戴显示设备是单目单屏头戴显示设备，所述显示屏的尺寸在2.5寸～3.8寸之间。

作为优选，头戴显示设备是双目头戴显示设备，所述显示屏的尺寸在4.7寸～6.5寸之间。

本实用新型提供的紧凑式虚拟现实近眼显示系统及头戴显示设备，最终使得VR眼镜等产品价格低廉、可被普通人接受的一种产品，实现人人可以体验VR产品，同时利用光路折叠原理使整个系统厚度小、后工作距离短及整个系统重量轻等优点。具体地：

(一)针对本实用新型紧凑式虚拟现实近眼显示系统，其结构形式不同于市场上所采用近眼显示系统，目前市场上通常是使用短焦距的目镜来使系统厚度降低，但是其在使用过程中，由于镜片的焦距越短，带来的像差就越多，单镜片根本无法满足设计要求，然而使用多镜片来消除像差，就会增加整个近眼显示系统的重量，且多个镜片的设置无法缩短BFL及TTL，本实用新型是使用相位延迟器及偏振膜，利用光路折叠原理，光能利用率高的同时，缩短了整个近眼显示系统的后工作距离及减轻了整个系统的重量，其与现有的近眼显示系统相比，结构更为紧凑，且未通过增加镜片数量来消除像差，有效降低了制造成本，进而降低了使用者的使用成本，有利于市场的推广及应用。

(二)针对本实用新型紧凑式虚拟现实近眼显示系统，其将成像透镜设置在近眼端，具有以下优点：①可以减小色差，提高成像质量；②减小杂散光对成像质量的影响，提升使用者的沉浸感；③设置在近眼端，与显示屏相对的对立面，方便对显示屏或者透镜位置的调节，以获得更好的成像效果；④与将成像透镜设置在第一相位延迟片和第二相位延迟片之间相比，其制造过程更加简单，方便VR眼镜的制造，降低制造成本，进而降低使用者的使用成本，有利于市场的推广及应用。⑤FOV可以做到120°，跟目前头盔最大视场角一样，且边缘视场相对清晰，色差小。

(三)针对本实用新型的头戴显示设备，具有如下优点：

1)本实用新型的头戴显示设备，通过使用上述所述的紧凑式虚拟现实近眼显示系统，使得头戴显示设备整体结构紧凑，重量轻，方便使用者的佩戴和使用。

2)本实用新型的头戴显示设备，其利用光路折叠原理，不需增加其他镜片来消除像差，降低了制造成本，有极高的量产性，可以满足大众使用。

3)集成了目前VR镜片所有成像优点，不使用半透膜，达到了缩小系统长度的目的。

附图说明

图1为本实用新型实施例中紧凑式虚拟现实近眼显示系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中现有技术中的VR光路图；

图3为本实用新型实施例中现有技术中的VR光路图；

图4为本实用新型实施例中紧凑式虚拟现实近眼显示系统的光路图；

图5为本实用新型实施例中菲涅耳镜片的光路图；

图6为本实用新型实施例中镜片光学性能效果中的MTF曲线图；

图7为本实用新型实施例中镜片光学性能效果中的场曲和畸变示意图；

图8为为本实用新型实施例中镜片光学性能效果中的点列图；

图9为本实例中头戴显示设备单目单屏的结构示意图；

图10为本实例中头戴显示设备双目单屏的结构示意图。

具体实施方式

以下是对本实用新型技术方案的举例详细说明，不能作为本实用新型保护范围的限定。

实施例1

如图1至图10所示，一种紧凑式虚拟现实近眼显示系统，包括显示屏1、相位延迟器、偏振膜及成像透镜6；成像透镜6设置在近眼端，可以减小色差及杂散光对成像质量的影响。显示屏1是发出偏振光的显示屏；相位延迟器包括第一相位延迟器2及第二相位延迟器4偏振膜包括第一偏振膜3及第二偏振膜5；第一相位延迟器2、第二相位延迟器4、第一偏振膜3及第二偏振膜5位于成像透镜6和显示屏1之间；显示屏1、第一相位延迟器2、第一偏振膜3、第二相位延迟器4、第二偏振膜5及成像透镜6自显示屏1所在的远眼区域向成像透镜 6所在的近眼区域依次排列布置。成像透镜6设置在相位延迟器和偏振膜的外侧还方便对成像透镜6的清洗和检修，其在制造过程还降低了制造难度，进而降低制造成本，有利于应用该系统的VR眼镜的推广及应用。

显示屏1发出的偏振光向成像透镜6位置方向传播，偏振光在第一相位延迟器2的作用下在第一偏振膜3处透射，透射的光线在第二相位延迟器4的作用下在第二偏振膜5处反射，反射的光线在第二相位延迟器4的作用下在第一偏振膜3处反射，反射的光线在第二相位延迟器4的作用下透射，以使显示屏6发出的偏振光在相位延迟器和偏振膜之间进行光路折叠，进而进入到人眼中，利用偏振光在相位延迟器及偏振膜之间进行光路折叠的方法来缩短BFL 及TTL，使整个系统的距离小于25mm，同时保证该系统的成像质量，使整个系统轻量化。

第一偏振膜3和第二偏振膜5均是背眼面透射、近眼面反射偏振态偏振光的偏振反射片，显示屏1显示的光属于偏振态范围内的偏振光。

偏振膜具有如下要求：偏振光偏振态与偏振膜偏振态相同时，其透射率在70％～99％之间；偏振光偏振态与偏振膜偏振态垂直时，反射率在70％～99％之间，其透射效率与反射效率均比较高，使用效果好。

相位延迟器为用于改变光的偏振方向的波片或者旋光器，都可达到相同的效果，可根据自身需要来选择，选取的波片的相位延迟效率通常在70％～99％之间。

成像透镜6可为菲涅尔镜片，则紧凑式虚拟现实近眼显示系统的厚度可进一步缩小，其厚度可小于20mm，基本小于一般的VR单透镜厚度(非球面透镜)。菲涅尔镜片的焦距在25mm～70mm之间。

如图2和图3所示，传统的近眼显示光路图，显示屏1发出的光直接通过成像透镜6放大后进入人眼，其同时具有BFL和TTL较长的问题，使得整个近眼显示系统以及虚拟现实(VR) 头盔产品的外形尺寸都比较大，质量比较重，严重影响用户的体验，这也是VR目前没有被广泛接受的原因之一。因此，只有使用小尺寸显示屏1和短的TTL才能达到要求，而小尺寸显示屏1和短的TTL都要求成像透镜6具有短焦距。但成像透镜6的焦距越短，带来的相差就会越多，单镜片根本无法满足设计要求，而使用多镜片就会增加重量，同时使用多个镜片，以镜片组的形式，其整体厚度不一定会使TTL减小。

如图4所示，本实用新型的光路图为：

(1)显示屏1发出的光线向成像透镜6所在方向传播，然后经过第一相位延迟器2，光线偏振态旋转90°后射出，出射的光线跟第一偏振膜3的偏振态相同，故透射过去；

(2)透射的光线继续传播打到第二相位延迟器4上，光线偏振态旋转45°后射出，此时的光线的偏振态跟第二偏振膜5的偏振态垂直，故反射回来；

(3)反射的光线经过第二相位延迟器4后偏振态旋转45°后射出，出射的光线跟第一偏振膜3的偏振态垂直，故反射回来；

(4)反射的光线再一次经过第二相位延迟器4，光线偏振态旋转45°，出射的光线的偏振态跟第二偏振膜5的偏振态相同，故透射过去，然后经过成像透镜6放大后射出。

如图6、图7和图8所示，本实施例成像透镜系统的MTF曲线图、场曲畸变曲线图和点列图可以看出，它们均在现有的单镜片目镜之上，MTF值越接近1，成像透镜的性能越优异。

实施例2

如图9和图10所示，一种头戴显示设备，包括使用上述所述的紧凑式虚拟现实近眼显示系统，还包括头戴支架71，头戴支架71对应于人眼位置设有成像透镜安装槽72，成像透镜 6、相位延迟器及偏振膜安装在成像透镜安装槽72内，成像透镜6对应显示屏1。

为了如手机及视屏播放器等带有显示屏1的设备能够较好的安装在头戴支架上，还可以在头戴支架上设置显示屏安装槽，可以将手机、视屏播放器等放置在显示屏安装槽内，显示屏1一侧对准人眼位置放置，还可以在头戴支架51上设置可活动的夹板夹。

其中屏幕的大小决定整个系统的厚度，对于消费类头戴显示设备，整个系统越薄越好，而屏幕越小，视场角越小，因此对于产品需要在屏幕尺寸、系统厚度、视场角之间平衡。对于单目单屏，屏幕的大小一般满足：显示屏1的尺寸在2.5寸～3.8寸之间；对于双目单屏，屏幕的大小一般满足：显示屏1的尺寸在4.7寸～6.5寸之间。

本实用新型提供的紧凑式虚拟现实近眼显示系统，该系统充分利用屏幕发出的偏振光，通过偏振光在相位延迟器和偏振膜之间进行光路折叠，具有超高的光能利用率，减小BFL(后工作距离)的同时保证成像质量，且使整个系统厚度缩小，重量降低，成像透镜位于近眼端的设置方式还方便紧凑式虚拟现实近眼显示系统的组成，降低制造难度的同时方便对成像透镜的清洗和维护，方便对成像透镜的拆装，有利于市场的推广及应用。还提供一种头戴显示设备，它应用了紧凑式虚拟现实近眼显示系统，同样具有低成本、短后工作距离及重量轻的优点，同时，有效提高使用者的沉浸感。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种紧凑式虚拟现实近眼显示系统，其特征在于：包括显示屏(1)、相位延迟器、偏振膜及成像透镜(6)；成像透镜(6)在近眼端；

-所述显示屏(1)是发出偏振光的显示屏；

-所述相位延迟器包括第一相位延迟器(2)及第二相位延迟器(4)；

-所述偏振膜包括第一偏振膜(3)及第二偏振膜(5)；

-第一相位延迟器(2)、第二相位延迟器(4)、第一偏振膜(3)及第二偏振膜(5)位于成像透镜(6)和显示屏(1)之间；

-所述显示屏(1)、第一相位延迟器(2)、第一偏振膜(3)、第二相位延迟器(4)、第二偏振膜(5)及成像透镜(6)自显示屏(1)所在的远眼区域向成像透镜(6)所在的近眼区域依次排列布置；

-显示屏(1)发出的偏振光向所述成像透镜(6)位置方向传播，偏振光在第一相位延迟器(2)的作用下在第一偏振膜(3)处透射，透射的光线在第二相位延迟器(4)的作用下在第二偏振膜(5)处反射，反射的光线在第二相位延迟器(4)的作用下在第一偏振膜(3)处反射，反射的光线在第二相位延迟器(4)的作用下透射，以使显示屏(1)发出的偏振光在所述相位延迟器和偏振膜之间进行光路折叠，进而过成像透镜(6)进入到人眼中。

2.根据权利要求1所述的紧凑式虚拟现实近眼显示系统，其特征在于：紧凑式虚拟现实近眼显示系统的BFL小于等于20mm。

3.根据权利要求1所述的紧凑式虚拟现实近眼显示系统，其特征在于：紧凑式虚拟现实近眼显示系统的TTL距离小于等于25mm。

4.根据权利要求3所述的紧凑式虚拟现实近眼显示系统，其特征在于：所述成像透镜(6)为菲涅尔镜片，使用菲涅尔镜片的紧凑式虚拟现实近眼显示系统TTL的距离小于等于20mm。

5.根据权利要求1所述的紧凑式虚拟现实近眼显示系统，其特征在于：

所述第一相位延迟器(2)是使显示屏(1)发出的偏正光角度旋转90度，使得偏正光与第一偏振膜(3)偏振态相同，偏正光透射过第一偏振膜(3)的相位延迟器；

所述第二相位延迟器(4)是使透射的光线角度旋转45度，使得光线与第二偏振膜(5)垂直，偏正光在第二偏振膜(5)处反射的相位延迟器。

6.一种包含权利要求1-5任一所述的紧凑式虚拟现实近眼显示系统的头戴显示设备，其特征在于：头戴显示设备包括头戴支架(71)，头戴支架(71)对应于人眼位置设有安装槽(72)；紧凑式虚拟现实近眼显示系统安装于所述安装槽(72)。

7.如权利要求6所述的头戴显示设备，其特征在于：头戴显示设备是单目单屏头戴显示设备，所述显示屏(1)的尺寸在2.5寸～3.8寸之间。

8.如权利要求6所述的头戴显示设备，其特征在于：头戴显示设备是双目头戴显示设备，所述显示屏(1)的尺寸在4.7寸～6.5寸之间。