CN207440426U - 一种大视场虚拟现实头戴设备hmd的显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，其目镜筒包括筒体、同轴安装在筒体内的光学结构，显示屏安装在筒体像侧，光学结构采用光轴向外倾斜的发散部分双目重叠方式，头戴设备上安装瞳距调节结构，所述瞳距调节结构包括中心轴相互平行的主调节钮、副调节钮、左调节柱、右调节柱，所述左目镜筒与左调节柱连接、右目镜筒与右调节柱连接，所述主调节钮的顶端伸出头戴设备供用户旋拧操作，所述副调节钮安装在主调节钮与右调节柱之间进行传动，所述主调节钮的底部直接与左目镜筒传动连接同时通过传动连接的副调节钮间接与右目镜筒传动连接。本实用新型便于用户根据自身瞳距进行适应性调节，提高头戴设备HMD的用户体验。

Description

一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置

技术领域

本实用新型属于虚拟现实头戴设备领域，具体的说，是一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置。

背景技术

在沉浸式虚拟现实和增强现实中，HMD都可以作为景象的输出终端。但由于两类系统所观察的景物不同，使用的HMD也随之分为两大类，即非透视型HMD(Nonsee-throughHMD)和透视型HMD(See-throughHMD)。由HMD的发展历程可看出，根据不同的应用，各类HMD设计时所突出的性能特点也不尽相同。

(一)非透视型HMD：该类型的HMD看不到真实世界的物体，用于沉浸式虚拟现实。沉浸感是该类HMD的重要评价标准。非透视型HMD的视场大小决定着沉浸感的程度。高性能的非透视型HMD主要致力于解决视场和分辨率之间的矛盾，以及保证全视场范围内的成像质量。在商用非透视型HMD的设计中，往往只关注视轴中心20°范围内的成像质量，其余视场区域的像差不做过多校正。这样可以在实现大视场的同时，简化光学系统设计，减轻设备重量。非透视型HMD主要用在航天员的地面训练、医疗、商业娱乐等方面。

(二)透视型HMD：该类型的HMD用于增强现实，在看到虚拟物体的同时还可以看到真实世界的物体，也称为增强现实HMD。

透视型HMD由于显示屏不能放在人眼前方，多数使用折反或离轴设计。机载HMD为透视性HMD的代表，其又因应用战机的不同分为固定翼HMD和旋转翼HMD。机载HMD对视场大小要求不高，但对出瞳直径和出瞳距离要求严格。而用于飞行员训练模拟的透视型HMD则要求具有大视场，以便飞行员接收更多的信息。商用透视型HMD将光学元件与眼镜框架结合，更方便使用者佩戴。

现有商用HMD，尤其是非透视型HMD通常是统一参数的批量制造，其瞳距对应的设计参数只是根据大部分用户的瞳距参数优化设计的，很难全面考虑到不同人种、不同年龄、不同性别的用户群体其瞳距的较大差异。而且，HMD需要佩戴在用户头部，并使目镜(带镜片的眼镜框)与用户的眼镜位置对应，而同一设计参数是HMD无法为瞳距不同的每位用户都提供最佳佩戴体验。

实用新型内容

针对现有非透视型HMD技术中存在的问题和不足，本实用新型的目的在于提供一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，从瞳距差异的角度充分考虑不同用户群体的人性化用户体验，通过能够调节夹角的两个目镜筒进行适应瞳距的个性化调节，从而适应瞳距不同的用户群体，提升大视场虚拟现实头戴设备HMD的用户体验。

本发明通过下述技术方案实现：一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，包括安装在头戴设备上并与人的双眼位置对应的两组对称设置的显示屏、目镜筒，与人的左眼对应的为左显示屏、左目镜筒，与人的右眼对应的为右显示屏、右目镜筒，所述目镜筒包括遮光的筒体和同轴安装在筒体内的光学结构，显示屏安装在筒体上且位于光学结构的像侧，所述光学结构采用光轴向外倾斜的发散部分双目重叠方式，还包括安装在头戴设备上的瞳距调节结构，所述瞳距调节结构包括中心轴相互平行的主调节钮、副调节钮、左调节柱、右调节柱，所述左目镜筒通过左调节柱转动安装在头戴设备上且左目镜筒的中心轴与左调节柱的中心轴共面，所述右目镜筒通过右调节柱转动安装在头戴设备上且右目镜筒的中心轴与右调节柱的中心轴共面，所述主调节钮的顶端伸出头戴设备供用户旋拧操作，所述副调节钮安装在主调节钮与右调节柱之间进行传动，所述主调节钮的底部直接与左目镜筒传动连接同时通过传动连接的副调节钮间接与右目镜筒传动连接。

用户旋拧主调节钮时左调节柱带动左目镜筒、右调节柱带动右目镜筒同步向相反方向转动调节，即用户旋拧主调节钮时两个目镜筒同步向内靠拢而缩小外倾角以缩小瞳距或者同步向外展开而扩大外倾角以扩大瞳距。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述主调节钮、副调节钮、左调节柱、右调节柱的外壁均设置结构相同的传动齿以实现同转速、同角度的同步转动，所述传动齿为直齿或斜齿，所述主调节钮分别与两侧的副调节钮、左调节柱通过传动齿直接啮合且副调节钮与右调节柱通过传动齿直接啮合。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述主调节钮、副调节钮、左调节柱、右调节柱均包括设置轴肩及键槽的光轴、齿轮以及将齿轮与光轴固定连接为一体的键块，所述主调节钮、副调节钮、左调节柱、右调节柱各自的齿轮为结构相同的直齿轮或斜齿轮以实现其同转速、同角度的同步转动，所述主调节钮分别与两侧的副调节钮、左调节柱通过齿轮直接啮合且副调节钮与右调节柱通过齿轮直接啮合。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述瞳距调节结构还包括悬挂在头戴设备内腔上部隐藏空间的保持架，分别与保持架连接的主调节钮、副调节钮、左调节柱、右调节柱通过保持架安装成一个整体。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述保持架上设置有分别与主调节钮、副调节钮、左调节柱、右调节柱位置、尺寸对应的四套轴承，所述主调节钮、副调节钮、左调节柱、右调节柱分别通过过盈配合固定安装在各自对应的轴承中。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述轴承端部还设置有对主调节钮、副调节钮、左调节柱、右调节柱进行轴向固定的轴承垫圈和弹簧卡。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述保持架上一套轴承为分别设置在主调节钮、副调节钮、左调节柱、右调节柱两端的两个圆柱滚子轴承。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述光学结构包括四个透镜，所述四个透镜为从人眼所在的目测向显示屏所在的像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜。

所述第一透镜为正透镜，用于大视场光线的偏折。

所述第二透镜为正透镜，用于校正色差并提供负光焦度。

所述第三透镜为负透镜，用于形成符号相反的慧差和像散并校正慧差和像散。

所述第四透镜为M型透镜，用于校正畸变。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述光学结构采用广角I型目镜结构或者艾尔弗目镜结构。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述显示装置还包括限制目镜筒左右转动调节角度的限位结构。所述限位结构可以为头盔内腔的填充结构，填充结构在目镜筒处设置可供目镜筒左右调节的空档，空档两侧壁面即可限制目镜筒转动角度的限值。所述限位结构也可以为限位挡块组件，限位挡块包括设置在头盔内腔顶壁或保持架上的限位块与安装在主调节钮上的限位挡板，通过限位挡块和限位挡板的位置限制目镜筒调节的角度。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述显示屏采用1920×1080分辨率、4.7英寸的LCD显示屏。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本实用新型提供了一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，安装在头戴设备的头盔中，基于光轴向外倾斜的发散部分双目重叠方式进行显示装置的优化设计，方便用户根据自身瞳距进行目镜筒位置的调节，增强用户体验。

(2)本实用新型在现有头盔结构内腔增加用于调节目镜筒的瞳距调节结构，结构简单，操作方便。

附图说明

图1为本实用新型的立体结构示意图之一。

图2为本实用新型的立体结构示意图之二。

图3为送料组件的结构示意图。

图4为送料组件中送料爪合拢时的示意图。

图5为送料组件中送料爪张开时的示意图。

图6为激光切割组件的结构示意图。

图7为铰接轴的结构示意图。

图8为PVC管材斜切口示意图。

图9为光学系统倾斜放置的示意图。

图10为水平视场非对称设计的示意图。

图11为光轴向外倾斜的发散部分双目重叠视场角关系示意图。

图12为广角I型目镜结构示意图。

图13为艾尔弗目镜结构示意图。

图14为实施例6中光学结构光路图。

图15为实施例6中双目系统结构示意图。

图16为TFT-LCD结构原理图。

其中：100-目镜筒；200-显示屏；300-瞳距调节结构；

1-主调节钮；2-副调节钮；3-左调节柱；4-右调节柱；5-传动齿；6-保持架；7-硬质凸部；8-限位块；9-限位挡板；10-填充结构；11-钮帽；12-第一透镜；13-第二透镜；14-第三透镜；15-第四透镜；

001-背光源；002-偏光片；003-玻璃基板；004-TFT单元；005-取向膜；006-彩膜；007-共通电极；008-液晶层。

具体实施方式

部分双目重叠的原理是让左右眼观看的HMD光学系统视场产生一定的交集，重叠的视场区域为立体显示区域。同时，双眼还能各自观看一部分相应HMD光学系统的边缘视场域。部分双目重叠可以在不损失分辨率的情况下实现大视场给观察者良好的沉浸感，并且留有一定的立体显示区域。根据双眼观看区域的不同，可将部分双目重叠分为两种，一种是发散重叠，一种是会聚重叠。如图9、图10所示，光学系统倾斜放置、水平视场非对称设计两种发散重叠的设置形式。

光学系统倾斜放置的部分双目重叠方式中零视场主光线和眼睛的中心轴不平行，发散重叠是光轴向外倾斜；水平视场非对称设计的部分双目重叠中零视场主光线和眼睛的中心轴平行，发散重叠是光轴内侧的视场角区域较小，外侧的视场角区域较大。

其中，光轴向外倾斜的发散部分双目重叠的单目视场θ1、双目视场θ2、双目重叠视场θ3、光轴向外偏转角度α之间的关系如图11所示，且满足：

如上所述，光轴向外倾斜可以增加双目视场，但会相应减少双目重叠视场区域。

实施例1：

如图1-图8所示，一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，包括安装在头戴设备上并与人的双眼位置对应的两组对称设置的显示屏200、目镜筒100，与人的左眼对应的为左显示屏200、左目镜筒，与人的右眼对应的为右显示屏200、右目镜筒，所述目镜筒100包括遮光的筒体和同轴安装在筒体内的光学结构，显示屏200安装在筒体上且位于光学结构的像侧，所述光学结构采用光轴向外倾斜的发散部分双目重叠方式，还包括安装在头戴设备上的瞳距调节结构300，所述瞳距调节结构300包括中心轴相互平行的主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4，所述左目镜筒通过左调节柱3转动安装在头戴设备上且左目镜筒的中心轴与左调节柱3的中心轴共面，所述右目镜筒通过右调节柱4转动安装在头戴设备上且右目镜筒的中心轴与右调节柱4的中心轴共面，所述主调节钮1的顶端伸出头戴设备供用户旋拧操作，所述副调节钮2安装在主调节钮1与右调节柱4之间进行传动，所述主调节钮1的底部直接与左目镜筒传动连接同时通过传动连接的副调节钮2间接与右目镜筒传动连接。

本实施例中，基于光学结构倾斜放置结构，使HMD保证分辨率的前提下增大视场，此为现有技术，不再赘述。本实施例主要是针对现有大视场虚拟现实头戴设备HMD其目镜通常采用固定设计无法根据人体面部双眼瞳距的差异进行调整，个性化用户体验不佳的不足，对大视场虚拟现实头戴设备HMD中的显示装置部分进行改进。

相对于现有技术，本实施例中增设瞳距调节结构300，瞳距调节结构300一端与目镜连接且另一端安装在头戴设备的头盔内腔，两个目镜筒100可在视界的水平方向进行左、右转动调整：左目镜筒、右目镜筒两个目镜筒100向内旋转靠拢时，显示装置对应最佳佩戴的瞳距变大；左目镜筒、右目镜筒两个目镜筒100向外旋转张开时，显示装置对应最佳佩戴的瞳距变小。

本实施例中，目镜筒100可以采用现有的广角同轴目镜。如图1-图3所示，所述目镜筒100通过瞳距调节结构300安装在头戴设备的头盔内腔，主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4相互平行且均竖向设置，主调节钮1直接与副调节钮2、左调节柱3传动，副调节钮2还与右调节柱4传动；左调节柱3的底端与左目镜筒固定，左目镜筒仅能以左调节柱3的轴线在水平方向摆动调节；右调节柱4的底端与右目镜筒固定，右目镜筒仅能以右调节柱4的轴线在水平方向摆动调节。

进一步，如图4、图5所示，左调节柱3的轴线、左目镜筒轴线共面，右调节柱4的轴线、右目镜筒轴线共面，左调节柱3与左目镜筒的连接结构、右调节柱4与右目镜筒的连接结构为对称设置，因此用户旋拧主调节钮1时左调节柱3带动左目镜筒、右调节柱4带动右目镜筒同步向相反方向转动调节，即用户旋拧主调节钮1时两个目镜筒100同步向内靠拢而缩小外倾角以缩小瞳距或者同步向外展开而扩大外倾角以扩大瞳距。

简易结构时，主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4的上部自由转动安装在头盔内腔的顶壁，同时主调节钮1伸出头盔并突出于头盔外表面，方便用户手动旋拧操作。进一步，为了方便主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4定位安装，头盔内顶面设置四个分别与主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4顶端尺寸及位置对应的安装孔，且与主调节钮1顶端对应的安装孔为通孔，其余安装孔为盲孔。所述左调节柱3的底端与左目镜筒外壁固定，左调节柱3的钉端自由转动的连接在头盔内顶面对应的安装孔中；右调节柱4的底端与右目镜筒外壁固定，右调节柱4的钉端自由转动的连接在头盔内顶面对应的安装孔中；主调节钮1的底端、副调节钮2的底端通过一顶部安装在头盔内壁上的支撑架承接安装，副调节钮2的顶端自由转动的连接在头盔内顶面对应的安装孔中，主调节钮1的顶端从对应的安装孔中伸出并突出于头盔外部。

由于，头戴设备为了比较好的贴合人体眼部及周围其他面部轮廓，如鼻部，通常头盔中部设置与人体面部鼻部(鼻梁、鼻翼)向对应的硬质凸部7。如图1、图2所示，利用硬质凸部7在头盔内腔的凸起结构，可以安装主调节钮1、副调节钮2。此时主调节钮1的顶端伸出头盔且主调节钮1的底端自由转动安装在硬质凸部7上，副调节钮2的顶端自由转动安装在头盔内腔顶部且副调节钮2的底端自由转动安装在硬质凸部7上，左调节柱3的顶端自由转动安装在头盔内腔顶部且左调节柱3的底端固定安装在左目镜筒上，右调节柱4的顶端自由转动安装在头盔内腔顶部且右调节柱4的底端固定安装在右目镜筒上。

复杂结构是，如图3、图7所示，可以用保持架6等部件既代替安装孔对主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4进行定位安装，又对主调节钮1、副调节钮2进行支撑。如图3所示，保持架6仅单边设置在主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4的上部；如图7所示，保持架6双边设置在主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4的两端。

本实施例中，瞳距调节结构300除了伸出头盔的主调节钮1的端部其余部分均隐藏式设置在头盔内腔中。进一步，由于两个目镜筒100可通过转动改变用户眼镜所在一侧即目侧的相对位置关系，目镜筒100的目侧设置柔性遮光帘。一方面，柔性遮光帘可使头盔内腔形成一个相对密封的空间，将两组显示屏200、目镜筒100的主体以及瞳距调节结构300的主体都隐藏在头盔内腔，使得整个大视场虚拟现实头戴设备整体外部设计简洁，且有效内部防尘；另一方面，由于遮光帘采用柔性的遮光布、皮革等材料，完全不影响两个目镜筒100的旋转调节。

进一步地，如图2、图3所示，为了方便用户从头盔外部转动主调节钮1进行调节操作，主调节钮1伸出的端部上安装一具有防滑纹的钮帽11。

实施例2：

一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，包括安装在头戴设备上并与人的双眼位置对应的两组对称设置的显示屏200、目镜筒100，与人的左眼对应的为左显示屏200、左目镜筒，与人的右眼对应的为右显示屏200、右目镜筒，所述目镜筒100包括遮光的筒体和同轴安装在筒体内的光学结构，显示屏200安装在筒体上且位于光学结构的像侧，所述光学结构采用光轴向外倾斜的发散部分双目重叠方式，还包括安装在头戴设备上的瞳距调节结构300，所述瞳距调节结构300包括中心轴相互平行的主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4，所述左目镜筒通过左调节柱3转动安装在头戴设备上且左目镜筒的中心轴与左调节柱3的中心轴共面，所述右目镜筒通过右调节柱4转动安装在头戴设备上且右目镜筒的中心轴与右调节柱4的中心轴共面，所述主调节钮1的顶端伸出头戴设备供用户旋拧操作，所述副调节钮2安装在主调节钮1与右调节柱4之间进行传动，所述主调节钮1的底部直接与左目镜筒传动连接同时通过传动连接的副调节钮2间接与右目镜筒传动连接。

如图7所示，所述主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4的外壁均设置结构相同的传动齿5以实现同转速、同角度的同步转动，所述传动齿5为直齿或斜齿，所述主调节钮1分别与两侧的副调节钮2、左调节柱3通过传动齿5直接啮合且副调节钮2与右调节柱4通过传动齿5直接啮合。

本实施例中所述主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4四者均为外壁自带传动齿5的齿轴结构，齿轴结构的中段设置用于传动的传动齿5且齿轴结构的两端为方便自由转动的光杆。主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4之间通过啮合的传动齿5进行传动，从而实现左目镜筒、右目镜筒的同步转动调节。

主调节钮1直接与左调节柱3啮合，主调节钮1直接与副调节钮2啮合且副调节钮2同时与右调节柱4啮合：一是，主调节钮1与左调节柱3转向相反；二是，由主调节钮1与副调节钮2转向相反、副调节钮2与右调节柱4转向相反，因此左调节柱3、右调节柱4转向相反。

进一步，所述主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4四者传动齿5结构相同，即四个传动齿5的齿廓基本参数一致，有利于稳定的同步传动。

实施例3：

一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，包括安装在头戴设备上并与人的双眼位置对应的两组对称设置的显示屏200、目镜筒100，与人的左眼对应的为左显示屏200、左目镜筒，与人的右眼对应的为右显示屏200、右目镜筒，所述目镜筒100包括遮光的筒体和同轴安装在筒体内的光学结构，显示屏200安装在筒体上且位于光学结构的像侧，所述光学结构采用光轴向外倾斜的发散部分双目重叠方式，还包括安装在头戴设备上的瞳距调节结构300，所述瞳距调节结构300包括中心轴相互平行的主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4，所述左目镜筒通过左调节柱3转动安装在头戴设备上且左目镜筒的中心轴与左调节柱3的中心轴共面，所述右目镜筒通过右调节柱4转动安装在头戴设备上且右目镜筒的中心轴与右调节柱4的中心轴共面，所述主调节钮1的顶端伸出头戴设备供用户旋拧操作，所述副调节钮2安装在主调节钮1与右调节柱4之间进行传动，所述主调节钮1的底部直接与左目镜筒传动连接同时通过传动连接的副调节钮2间接与右目镜筒传动连接。

所述主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4均包括设置轴肩及键槽的光轴、齿轮以及将齿轮与光轴固定连接为一体的键块，所述主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4各自的齿轮为结构相同的直齿轮或斜齿轮以实现其同转速、同角度的同步转动，所述主调节钮1分别与两侧的副调节钮2、左调节柱3通过齿轮直接啮合且副调节钮2与右调节柱4通过齿轮直接啮合。

本实施例中主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4结构的技术方案与实施例2中主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4结构的技术方案可等同替换。

本实施例中，所述主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4均为配置齿轮的组合件，四者结构相近，均包括主要起定位安装作用的光轴、用于传动的齿轮、连接齿轮和光轴的键，即齿轮与光轴键连接。四个齿轮结构相同，便于稳定同步传动。其工作原理与实施例2相似，不再赘述。

实施例4：

本实施例在实施例1-3任一项的基础上进一步优化，为了使主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4均能更平稳的转动，采用下列结构对四者进行定位安装。

一是采用保持架6、轴承、轴承垫圈、弹簧卡配合的结构对主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4四者进行限位安装。此时可以选用无轴向限位功能的滚珠轴承配合实现轴线限位的轴承垫圈、弹簧卡对其进行安装。所述瞳距调节结构300还包括悬挂在头戴设备内腔上部隐藏空间的保持架6，分别与保持架6连接的主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4通过保持架6安装成一个整体。

所述保持架6上设置有分别与主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4位置、尺寸对应的四套轴承，所述主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4分别通过过盈配合固定安装在各自对应的轴承中。

所述轴承端部还设置有对主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4进行轴向固定的轴承垫圈和弹簧卡。

二是采用保持架6、圆柱滚子轴承直接对主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4四周进行轴向限位的定位安装。所述保持架6上一套轴承为分别设置在主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4两端的两个圆柱滚子轴承。

轴通过轴承进行安装的结构为现有技术，不再赘述。

本实施例的其他部分与实施例1-3任一项相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在实施例1-4任一项的基础上对其进行改进，所述显示装置还包括限制目镜筒100左右转动调节角度的限位结构。如图8所示，所述限位结构可以为头盔内腔的填充结构10，填充结构10在目镜筒100处设置可供目镜筒100左右调节的空档，空档两侧壁面即可限制目镜筒100转动角度的限值。如图6所示，所述限位结构也可以为限位挡块组件，限位挡块包括设置在头盔内腔顶壁或保持架6上的限位块8与安装在主调节钮1上的限位挡板9，通过限位挡块和限位挡板9的位置限制目镜筒100调节的角度。

本实施例的其他部分与实施例1-4任一项相同，故不再赘述。

实施例6：

目前，绝大多数的HMD单目光学系统视场都较小，一些商用虚拟现实HMD单目光学系统虽然视场较大，但只是保证了中心视场的像质，不能用于部分双目重叠。在光学系统设计中，视场增加会使多种初级像差和高级像差同时增加，因与视场成三次方正比关系，畸变的增加尤为明显。从部分双目重叠的形式来看，由于左右眼对应的光学系统有重叠的视场区域，就要求对单目光学系统进行良好的畸变校正；而且视场的增加会造成系统重量迅速增加。如何在增加视场的同时保证畸变的良好校正以及系统重量不至于过重，成为了部分双目重叠单目光学系统设计的主要研究方向。本实施例在上述实施例的基础上对光学结构进行优化。

一方面，所述光学结构可以采用现有的广角I型目镜结构或者艾尔弗目镜结构。其中，广角I型目镜结构如图12所示，艾尔弗目镜结构如图13所示。广角I型目镜结构、艾尔弗目镜结构均为典型的广角目镜结构，包括基本结构和校正结构。

另一方面，由于，光轴向外倾斜可以增加双目视场，但会相应减少双目重叠视场区域。因此需要增加单目光学系统的视场以同时保证双目视场和双目重叠视场增加。所述光学结构包括四个透镜，所述四个透镜为从人眼所在的目测向显示屏200所在的像侧依次设置的第一透镜12、第二透镜13、第三透镜14、第四透镜15；

所述第一透镜12为正透镜，用于大视场光线的偏折；

所述第二透镜13为正透镜，用于校正色差并提供负光焦度；

所述第三透镜14为负透镜，用于形成符号相反的慧差和像散并校正慧差和像散；

所述第四透镜15为M型透镜，用于校正畸变。

所述第一透镜12、第二透镜13、第三透镜14、第四透镜15均为非球面透镜，其中，第一透镜12的后表面、第二透镜13的前表面、第三透镜14的后表面、第四透镜15的前表面及第四透镜15的后表面均为偶次非球面。第一透镜12呈月牙形且目侧凹、像侧凸。第二透镜13目侧凸、像侧凸且目侧凸度比像侧凸度大。第三透镜14呈目侧凹、像侧凹且目侧凹度比像侧凹度小。第四透镜15呈M型。具体结构如图14所示。

第一透镜12主要承担大视场光线的偏折能力；中间的双分离结构主要用来校正色差并提供负光焦度；第三透镜14的后表面产生与其他透镜符号相反的彗差和像散，利于彗差和像散的校正，其引入的畸变主要由第四透镜15的前表面校正。此光学结构参数如表1所示：

表1

进一步，采用光轴向外倾斜的发散部分双目重叠方式，为保证最小瞳距尺寸，光轴至少向外偏转18°。采用光轴向外倾斜的发散部分双目重叠方式，将单目光学系统以入瞳中心为定点，向外侧倾斜α，倾斜后双目系统结构如图15所示，D为瞳距，屏幕宽度H＝107.2mm，系统总长L＝78mm；D1为两单目系统水平最近距离，D2为入瞳中心与单目系统边缘的水平距离，则瞳距为：

单目系统绕中心轴旋转α＝18°，取1.25mm≤D1≤17.25mm，即可使瞳距D在55mm～71mm范围内可调。此时双目水平视场为141.6°，双目重叠水平视场为69.6°。

优选的，四个透镜中第一透镜12、第二透镜13、第三透镜14可以采用玻璃材料或塑料材料，第四透镜15采用塑料材料便于加工成型。其中，玻璃材料H-K9L(Nd＝1.52；Vd＝64.1)；塑料材料E48R(Nd＝1.531；Vd＝56.04)，二者参数接近。

本实施例以同轴广角目镜设计原理为基础，引入多个非球面校正像差，使用塑料透镜降低系统重量，设计了入瞳距离大于15mm、对角视场为114°、最大相对畸变小于9.6％的大视场HMD光学系统。

实施例7：

一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，包括安装在头戴设备上并与人的双眼位置对应的两组对称设置的显示屏200、目镜筒100，与人的左眼对应的为左显示屏200、左目镜筒，与人的右眼对应的为右显示屏200、右目镜筒，所述目镜筒100包括遮光的筒体和同轴安装在筒体内的光学结构，显示屏200安装在筒体上且位于光学结构的像侧，所述光学结构采用光轴向外倾斜的发散部分双目重叠方式，还包括安装在头戴设备上的瞳距调节结构300，所述瞳距调节结构300包括中心轴相互平行的主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4，所述左目镜筒通过左调节柱3转动安装在头戴设备上且左目镜筒的中心轴与左调节柱3的中心轴共面，所述右目镜筒通过右调节柱4转动安装在头戴设备上且右目镜筒的中心轴与右调节柱4的中心轴共面，所述主调节钮1的顶端伸出头戴设备供用户旋拧操作，所述副调节钮2安装在主调节钮1与右调节柱4之间进行传动，所述主调节钮1的底部直接与左目镜筒传动连接同时通过传动连接的副调节钮2间接与右目镜筒传动连接。

所述主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4的外壁均设置结构相同的传动齿5以实现同转速、同角度的同步转动，所述传动齿5为直齿或斜齿，所述主调节钮1分别与两侧的副调节钮2、左调节柱3通过传动齿5直接啮合且副调节钮2与右调节柱4通过传动齿5直接啮合。

所述主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4均包括设置轴肩及键槽的光轴、齿轮以及将齿轮与光轴固定连接为一体的键块，所述主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4各自的齿轮为结构相同的直齿轮或斜齿轮以实现其同转速、同角度的同步转动，所述主调节钮1分别与两侧的副调节钮2、左调节柱3通过齿轮直接啮合且副调节钮2与右调节柱4通过齿轮直接啮合。

所述瞳距调节结构300还包括悬挂在头戴设备内腔上部隐藏空间的保持架6，分别与保持架6连接的主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4通过保持架6安装成一个整体。

所述保持架6上设置有分别与主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4位置、尺寸对应的四套轴承，所述主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4分别通过过盈配合固定安装在各自对应的轴承中。

所述轴承端部还设置有对主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4进行轴向固定的轴承垫圈和弹簧卡。

所述保持架6上一套轴承为分别设置在主调节钮1、副调节钮2、左调节柱3、右调节柱4两端的两个圆柱滚子轴承。

本实施例中，所述显示屏200采用1920×1080分辨率、4.7英寸的LCD显示屏200，部分参数如表2所示。

颜色	彩色
		分辨率	1920×1080
像素尺寸	53.7um×53.7um彩色像素
		有效区域面积	57.996mm×103.104mm
显示颜色	16.7M(8-bit)
		显示色域	71％NTSC(CIE1931)
对比度	1050:1
		面板亮度	470cd/m2
扫描频率	60Hz
		总功率	638mW
外观尺寸	60.6mm×112.2mm×1.38mm(w×l×h)
		重量	18g

表2

所述LCD显示屏200为TFT-LCD显示屏200，TFT-LCD使用背照式照明，在每个单色像素下面设置一个TFT，控制电压的开关，进而实现单点单色控制的目的。TFT-LCD结构原理如图16所示，包括背光源001、偏光片002、玻璃基板003、TFT单元004、取向膜005、彩膜006、共通电极007、液晶层008；在上下两片玻璃基板之间填充着液晶；分别在上下玻璃基板靠近液晶层的一侧制作TFT和彩膜，彩膜由红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色周期分布；TFT单元和彩膜RGB单色像素一一对应；在彩膜和液晶层之间有一层共通电极，共通电极和TFT单元构成一个类似电容的结构，改变其间电场的大小，以控制中间液晶的取向。所述光学结构包括四个透镜，所述四个透镜为从人眼所在的目测向显示屏200所在的像侧依次设置的第一透镜12、第二透镜13、第三透镜14、第四透镜15；

所述第一透镜12为正透镜，用于大视场光线的偏折；

所述第二透镜13为正透镜，用于校正色差并提供负光焦度；

所述第三透镜14为负透镜，用于形成符号相反的慧差和像散并校正慧差和像散；

所述第四透镜15为M型透镜，用于校正畸变。

或者，所述光学结构采用广角I型目镜结构或者艾尔弗目镜结构。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，包括安装在头戴设备上并与人的双眼位置对应的两组对称设置的显示屏（200）、目镜筒（100），与人的左眼对应的为左显示屏（200）、左目镜筒，与人的右眼对应的为右显示屏（200）、右目镜筒，所述目镜筒（100）包括遮光的筒体和同轴安装在筒体内的光学结构，显示屏（200）安装在筒体上且位于光学结构的像侧，所述光学结构采用光轴向外倾斜的发散部分双目重叠方式，其特征在于：

还包括安装在头戴设备上的瞳距调节结构（300），所述瞳距调节结构（300）包括中心轴相互平行的主调节钮（1）、副调节钮（2）、左调节柱（3）、右调节柱（4），所述左目镜筒通过左调节柱（3）转动安装在头戴设备上且左目镜筒的中心轴与左调节柱（3）的中心轴共面，所述右目镜筒通过右调节柱（4）转动安装在头戴设备上且右目镜筒的中心轴与右调节柱（4）的中心轴共面，所述主调节钮（1）的顶端伸出头戴设备供用户旋拧操作，所述副调节钮（2）安装在主调节钮（1）与右调节柱（4）之间进行传动，所述主调节钮（1）的底部直接与左目镜筒传动连接同时通过传动连接的副调节钮（2）间接与右目镜筒传动连接；

用户旋拧主调节钮（1）时左调节柱（3）带动左目镜筒、右调节柱（4）带动右目镜筒同步向相反方向转动调节，即用户旋拧主调节钮（1）时两个目镜筒（100）同步向内靠拢而缩小外倾角以缩小瞳距或者同步向外展开而扩大外倾角以扩大瞳距。

2.根据权利要求1所述的一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，其特征在于：所述主调节钮（1）、副调节钮（2）、左调节柱（3）、右调节柱（4）的外壁均设置结构相同的传动齿（5）以实现同转速、同角度的同步转动，所述传动齿（5）为直齿或斜齿，所述主调节钮（1）分别与两侧的副调节钮（2）、左调节柱（3）通过传动齿（5）直接啮合且副调节钮（2）与右调节柱（4）通过传动齿（5）直接啮合。

3.根据权利要求1所述的一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，其特征在于：所述主调节钮（1）、副调节钮（2）、左调节柱（3）、右调节柱（4）均包括设置轴肩及键槽的光轴、齿轮以及将齿轮与光轴固定连接为一体的键块，所述主调节钮（1）、副调节钮（2）、左调节柱（3）、右调节柱（4）各自的齿轮为结构相同的直齿轮或斜齿轮以实现其同转速、同角度的同步转动，所述主调节钮（1）分别与两侧的副调节钮（2）、左调节柱（3）通过齿轮直接啮合且副调节钮（2）与右调节柱（4）通过齿轮直接啮合。

4.根据权利要求1所述的一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，其特征在于：所述瞳距调节结构（300）还包括悬挂在头戴设备内腔上部隐藏空间的保持架（6），分别与保持架（6）连接的主调节钮（1）、副调节钮（2）、左调节柱（3）、右调节柱（4）通过保持架（6）安装成一个整体。

5.根据权利要求4所述的一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，其特征在于：所述保持架（6）上设置有分别与主调节钮（1）、副调节钮（2）、左调节柱（3）、右调节柱（4）位置、尺寸对应的四套轴承，所述主调节钮（1）、副调节钮（2）、左调节柱（3）、右调节柱（4）分别通过过盈配合固定安装在各自对应的轴承中。

6.根据权利要求5所述的一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，其特征在于：所述轴承端部还设置有对主调节钮（1）、副调节钮（2）、左调节柱（3）、右调节柱（4）进行轴向固定的轴承垫圈和弹簧卡。

7.根据权利要求5所述的一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，其特征在于：所述保持架（6）上一套轴承为分别设置在主调节钮（1）、副调节钮（2）、左调节柱（3）、右调节柱（4）两端的两个圆柱滚子轴承。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，其特征在于：所述光学结构包括四个透镜，所述四个透镜为从人眼所在的目测向显示屏（200）所在的像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜；

所述第一透镜为正透镜，用于大视场光线的偏折；

所述第二透镜为正透镜，用于校正色差并提供负光焦度；

所述第三透镜为负透镜，用于形成符号相反的慧差和像散并校正慧差和像散；

所述第四透镜为M型透镜，用于校正畸变。

9.根据权利要求1-7任一项所述的一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，其特征在于：所述光学结构采用广角I型目镜结构或者艾尔弗目镜结构。

10.根据权利要求1-7任一项所述的一种大视场虚拟现实头戴设备HMD的显示装置，其特征在于：所述显示装置还包括限制目镜筒（100）左右转动调节角度的限位结构。