CN207780380U - 一种头戴显示光学系统及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于智能穿戴电子设备技术领域，提供了一种头戴显示光学系统及头戴显示设备，包括沿光路依次设置的图像产生单元、透镜单元、第一光学单元以及第二光学单元，其中图像产生单元用于产生和发射携带图像信息的光束，透镜单元用于透射图像产生单元产生的光束并缩小头戴显示光学系统的有效焦距，第一光学单元用于对光束进行反射和透射，第二光学单元用于对光束进行反射，经第二光学单元反射的光束回到第一光学单元，且经第一光学单元透射后进入用户的眼睛，第一光学单元的中心轴与透镜单元的中心轴成第一预设夹角，第二光学单元的中心轴与透镜单元的中心轴成第二预设夹角；头戴显示光学系统在具有大视场角的同时具有较小的尺寸结构，改善了用户体验。

Description

一种头戴显示光学系统及头戴显示设备

技术领域

本实用新型属于智能穿戴电子设备技术领域，更具体地说，是涉及一种头戴显示光学系统及头戴显示设备。

背景技术

随着科学技术的不断发展，越来越多的显示设备被广泛应用于人们的日常生活以及工作当中，为人们的日常生活以及工作带来了巨大的便利，成为当今人们不可或缺的重要工具。其中头戴显示技术作为一种由光学、电子学、软件交互等多种领域相结合的新型技术也得到了突飞猛进的发展。

头戴式显示器(HMD)中的微型显示器和光学系统将来自微型显示器的图像投射到用户眼睛并允许用户看到真实世界。头戴式显示器具有许多实用性的应用和休闲的应用，例如航空和航天应用领域允许飞行员看见重要的飞行控制信息而不必使他们的眼睛离开飞行路径；公共安全领域应用包括地图和热成像的战术显示；其他领域的应用还包括视频游戏、交通运输和无线电通信等。

为了让用户在使用时具有更好的使用体验，往往要求头戴式显示器具有较大的视场角以及较小的尺寸结构，从而使得用户可以具有大的视场角，同时佩戴舒适。然而，现有的头戴式显示器为了获得较大的视场角，往往需要采用尺寸较大的微显示器，从而造成头戴式显示器的整体尺寸偏大；而采用尺寸较小的微显示器时，头戴式显示器的视场角又会减小，因而会影响用户的使用体验。

以上不足，有待改进。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种头戴显示光学系统，以解决现有技术中存在的头戴式显示器无法同时满足大视场角和较小的尺寸结构的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种头戴显示光学系统，包括沿光路依次设置的：

图像产生单元，用于产生和发射携带图像信息的光束；

透镜单元，用于透射光束并缩小所述头戴显示光学系统的有效焦距；

第一光学单元，用于对光束进行反射和透射，所述第一光学单元的中心轴与所述透镜单元的中心轴成第一预设夹角；

第二光学单元，用于对光束进行反射，所述第二光学单元的中心轴与所述透镜单元的中心轴成第二预设夹角；

光束经所述第二光学单元反射后回到所述第一光学单元，并经所述第一光学单元透射后进入用户的眼睛。

进一步地，所述第一预设夹角为45°，所述第二预设夹角为90°；

所述图像产生单元为微显示器，所述微显示器与所述透镜单元共轴；

所述第二光学单元的中心轴所在的方向为X方向，所述微显示器的中心轴所在的方向为Y方向，所述X方向与所述Y方向相互垂直，所述微显示器的中心轴与所述第二光学单元的中心轴垂直相交于所述第一光学单元；

所述透镜单元至少包括5个沿光路依次设置的透镜，所述透镜单元在Y方向上的高度不大于100毫米。

进一步地，所述透镜单元包括沿光路依次设置的：

第一透镜，所述第一透镜为具有正光焦度的弯月透镜；

第二透镜，所述第二透镜为具有正光焦度的双凸透镜；

第三透镜，所述第三透镜为具有负光焦度的双凹透镜；

第四透镜，所述第四透镜为具有正光焦度的双凸透镜；

第五透镜，所述第五透镜为具有正光焦度的弯月透镜；

所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜以及所述第五透镜共轴。

进一步地，所述第一透镜的中心轴、所述第二透镜的中心轴、所述第三透镜的中心轴、所述第四透镜的中心轴、所述第五透镜的中心轴与所述微显示器的中心轴的距离均不大于0.1毫米；

所述第一透镜的中心轴、所述第二透镜的中心轴、所述第三透镜的中心轴、所述第四透镜的中心轴、所述第五透镜的中心轴与所述微显示器的中心轴的夹角均不大于0.5°。

进一步地，所述透镜单元包括沿光路依次设置的：

第六透镜，所述第六透镜为具有正光焦度的弯月透镜；

第七透镜，所述第七透镜为具有正光焦度的弯月透镜；

第八透镜，所述第八透镜为具有正光焦度的双凸透镜；

第九透镜，所述第九透镜为具有负光焦度的双凹透镜；

第十透镜，所述第十透镜为具有正光焦度的双凸透镜；

第十一透镜，所述第十一透镜为具有正光焦度的弯月透镜；

所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜以及所述第十一透镜共轴。

进一步地，所述第六透镜的中心轴、所述第七透镜的中心轴、所述第八透镜的中心轴、所述第九透镜的中心轴、所述第十透镜的中心轴、所述第十一透镜的中心轴与所述微显示器的中心轴的距离均不大于0.1毫米；

所述第六透镜的中心轴、所述第七透镜的中心轴、所述第八透镜的中心轴、所述第九透镜的中心轴、所述第十透镜的中心轴、所述第十一透镜的中心轴与所述微显示器的中心轴的夹角均不大于0.5°。

进一步地，所述第一光学单元包括第一光学镜片，所述第一光学镜片朝向所述透镜单元的表面设有第一半反半透膜，所述第一光学镜片背向所述透镜单元的表面设有第一增透膜；

或者，

所述第一光学镜片朝向所述透镜单元的表面设有第一增透膜，所述第一光学镜片背向所述透镜单元的表面设有第一半反半透膜；

所述第二光学单元包括第二光学镜片，所述第二光学镜片朝向所述第一光学单元的表面设有第二半反半透膜，所述第二光学镜片背向所述第一光学单元的表面设有第二增透膜；

或者，

所述第二光学镜片朝向所述第一光学单元的表面设有第二增透膜，所述第二光学镜片背向所述第一光学单元的表面设有第二半反半透膜。

进一步地，所述第一光学镜片的中心轴与所述Y方向的夹角不大于5°；

所述第一光学镜片为非平面镜，所述第一光学镜片在X方向上的偏移不超过1毫米，所述第一光学镜片在Y方向上的偏移不超过1毫米；

所述第二光学镜片的中心轴与所述微显示器的中心轴相垂直，所述第二光学镜片的中心轴与所述Y方向的夹角不大于0.5°；

所述第二光学镜片在X方向上的偏移不超过0.5毫米，所述第二光学镜片41在Y方向上的偏移不超过0.5毫米。

进一步地，所述第二光学镜片为等厚光学镜片；

所述第二光学镜片为树脂镜片，所述第二光学镜片的表面镀有光致变色涂层；

或者，

所述第二光学镜片为树脂镜片，所述第二光学镜片的表面渗透有光致变色材料；

或者，

所述第二光学镜片为玻璃镜片，所述第二光学镜片内均匀分布有光致变色材料。

本实用新型的目的还在于提供一种头戴显示设备，包括上述的头戴显示光学系统。

本实用新型提供的一种头戴显示光学系统的有益效果在于：由于头戴显示光学系统中设置有透镜单元，透镜单元可缩小头戴显示光学系统的有效焦距，因此可以在保证头戴显示光学系统具有大视场角的情况下，减小图像产生单元的屏幕尺寸，从而可以有效减小头戴显示光学系统的整体体积，即可以在保证头戴显示光学系统具有大视场角的同时，减小头戴显示光学系统的整体体积，使得头戴显示光学系统在具有大视场角的同时具有较小的尺寸结构，用户使用时佩戴更加舒适，改善了用户体验。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的头戴显示光学系统的结构示意图一；

图2为本实用新型实施例提供的头戴显示光学系统的光路结构示意图一；

图3为本实用新型实施例提供的头戴显示光学系统的坐标轴示意图；

图4为本实用新型实施例提供的头戴显示光学系统的各视场的MTF曲线图一；

图5为本实用新型实施例提供的头戴显示光学系统的网格畸变图一；

图6为本实用新型实施例提供的头戴显示光学系统的光路结构示意图二；

图7为本实用新型实施例提供的头戴显示光学系统的各视场的MTF曲线图二；

图8为本实用新型实施例提供的头戴显示光学系统的网格畸变图二；

图9为本实用新型实施例提供的头戴显示光学系统的光路结构示意图三；

图10为本实用新型实施例提供的头戴显示光学系统的各视场的MTF曲线图三；

图11为本实用新型实施例提供的头戴显示光学系统的网格畸变图三；

图12为本实用新型实施例提供的头戴显示光学系统的第一光学单元的结构示意图；

图13为本实用新型实施例提供的头戴显示光学系统的第二光学单元的结构示意图；

图14为本实用新型实施例提供的头戴显示光学系统的局部结构示意图一；

图15为本实用新型实施例提供的头戴显示光学系统的局部结构示意图二。

其中，图中各附图标记：

1-图像产生单元； 2-透镜单元；

201-第一透镜； 202-第二透镜；

203-第三透镜； 204-第四透镜；

205-第五透镜； 206-第六透镜；

207-第七透镜； 208-第八透镜；

209-第九透镜； 210-第十透镜；

211-第十一透镜；

3-第一光学单元； 31-第一光学镜片；

311-第一上表面； 312-第一下表面；

4-第二光学单元； 41-第二光学镜片；

411-第二上表面； 412-第二下表面；

5-眼睛。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1和图2，一种头戴显示光学系统，包括沿光路依次设置的图像产生单元1、透镜单元2、第一光学单元3以及第二光学单元4，其中图像产生单元1用于产生和发射携带图像信息的光束，透镜单元2用于透射图像产生单元1产生的光束并缩小头戴显示光学系统的有效焦距，第一光学单元3用于对光束进行反射和透射，第二光学单元4用于对光束进行反射，经第二光学单元4反射的光束回到第一光学单元3，且经第一光学单元3透射后进入用户的视野，即用户的眼睛5。第一光学单元3的中心轴与透镜单元2的中心轴成第一预设夹角，第二光学单元4的中心轴与透镜单元2的中心轴成第二预设夹角。

本实施例提供的头戴显示光学系统的工作原理如下：图像产生单元1产生携带图像信息的光束，并将光束发射到透镜单元2；透镜单元2对光束的传播方向进行调整后，将光束透射到第一光学单元3；光束到达第一光学单元3后一部分发生反射，一部分发生透射，发生反射的光束到达第二光学单元4；第二光学单元4将光束进行反射，经过第二光学单元4反射的光束回到第一光学单元3；光束到达第一光学单元3后一部分发生反射，一部分发生透射，发生透射的光束到达用户的眼睛5，从而使得用户的眼睛5能够获得图像产生单元1的图像信息。

由于屏幕对角线尺寸V、对角线视场角fov(V)以及头戴显示光学系统的有效焦距f之间满足因此当对角线视场角fov(V)一定时，屏幕对角线尺寸V减小，则头戴显示光学系统的有效焦距f也减小。当采用透镜单元2缩小头戴显示光学系统的有效焦距f时，保持对角线视场角fov(V)不变，可以缩小屏幕对角线尺寸V，从而可以减小头戴显示光学系统的整体体积。

这样设置的有益效果在于：由于头戴显示光学系统中设置有透镜单元2，透镜单元2可缩小头戴显示光学系统的有效焦距f，因此可以在保证头戴显示光学系统具有大视场角的情况下，减小图像产生单元1的屏幕尺寸，从而可以有效减小头戴显示光学系统的整体体积，即可以在保证头戴显示光学系统具有大视场角的同时，减小头戴显示光学系统的整体体积，使得头戴显示光学系统在具有大视场角的同时具有较小的尺寸结构，用户使用时佩戴更加舒适，改善了用户体验。

进一步地，第一预设夹角为45°，第二预设夹角为90°，即第一光学单元3的中心轴与透镜单元2的中心轴的夹角为45°，第二光学单元4的中心轴与透镜单元2的中心轴相互垂直，且第一光学单元3的中心轴与第二光学单元4的中心轴的夹角为45°。因此当光束经过透镜单元2后到达第一光学单元3时，光束的入射角为45°，反射角也为45°，因而反射光束与如何光束之间的夹角为90°；当光束到达第二光学单元4时，光束的入射角为0°，反射角也为0°。

进一步地，图像产生单元1为微显示器，微显示器与透镜单元2共轴。具体地，采用微显示器，有利于减轻头戴显示光学系统的重量。微显示器的尺寸为0.29英寸～1.3英寸(1英寸约为2.54厘米)，可根据需要进行设置，优选为0.49英寸，微显示器的长宽比优选为16：9。微显示器的图像显示区域经过透镜单元2、第一光学单元3以及第二光学单元4之后所形成的屏幕尺寸为：水平方向上的长度H为10.848厘米，竖直方向上的宽度V为6.102厘米，因此为5.424厘米，为3.051厘米，即屏幕的长宽比与微显示器的长宽比相同，屏幕对角线尺寸V、对角线视场角fov(V)以及头戴显示光学系统的有效焦距f之间满足在本实施例中，头戴显示光学系统的视场角(此处指的是屏幕对角线的视场角)不小于40°，优选为45°，从而具有大视场角，具有更好的用户体验。设置水平方向上的视场角大于竖直方向上的视场角，主要考虑的是人的眼睛在水平方向上的视场角比竖直方向上的视场角更大，因此可保证用户体验更好。

请参阅图3，在本实施例中，为了更好地描述，考虑微显示器的中心轴所在的方向为Y方向，第二光学单元4的中心轴所在的方向为X方向，X方向与Y方向相互垂直，微显示器的中心轴与第二光学单元4的中心轴垂直相交于第一光学单元3。

请参阅图1，透镜单元2至少包括5个沿光路依次设置的透镜，透镜单元2在Y方向上的高度不大于100毫米，优选为不大于30毫米，从而可以减小透镜单元2的尺寸，使得头戴显示光学系统整体更加紧凑。透镜单元2的中心轴与图像产生单元1的中心轴共轴，不仅使得头戴显示光学系统的整体结构更加简单，加工和装调更加简单，且有利于提高头戴显示光学系统的成像质量。

本实施例中的头戴显示光学系统采用的是逆向设计，即将用户的眼睛5当作光束出发点，光束经过第一光学单元3的透射后到达第二光学单元4，然后在第二光学单元4发生反射后回到第一光学单元3，第一光学单元3再将光束反射后光束到达透镜单元2，然后光束再到达图像产生单元1。考虑第一光学单元3与第二光学单元4构成第一成像面，若第一光学单元3和第二光学单元4形成的有效焦距太短，对导致在形成较大视场角时像差增大，边缘成像质量难以保证。而本申请采用的透镜单元2将第一成像面作为物面，从而重新对物面进行二次成像，形成第二成像面，第一成像面和第二成像面的缩放比例可以根据图像产生单元1的尺寸进行任意缩放。而透镜单元2的透镜数量不小于5个，可以有效矫正图像的成像质量。

由于头戴显示光学系统中的各个组件间位置的偏移以及角度的偏转都会导致光学系统不共轴，从而影响成像质量。

请参阅图1和图2，在一个实施例中，透镜单元2包括沿光路依次设置的第一透镜201、第二透镜202、第三透镜203、第四透镜204以及第五透镜205，其中第一透镜201为具有正光焦度的弯月透镜，第二透镜202为具有正光焦度的双凸透镜，第三透镜203为具有负光焦度的双凹透镜，第四透镜204为具有正光焦度的双凸透镜，第五透镜205为具有正光焦度的弯月透镜；第一透镜201、第二透镜202、第三透镜203、第四透镜204以及第五透镜205共轴。通过透镜单元2的第一透镜201、第二透镜202、第三透镜203、第四透镜204以及第五透镜205进行像差矫正，可以有效提高成像质量。

优选地，第二透镜202上靠近第三透镜203的一侧的曲率与第三透镜203上靠近第二透镜202一侧的曲率相同，从而有利于将第二透镜202与第三透镜203进行胶合，不仅可以进一步减小透镜单元2的整体尺寸，而且有助于提高头戴显示光学系统的分辨率，提高头戴显示光学系统的成像质量。

优选地，第四透镜204上靠近第三透镜203的一侧的曲率与第三透镜203上靠近第四透镜204一侧的曲率相同，从而有利于将第三透镜203与第四透镜204进行胶合，不仅可以进一步减小透镜单元2的整体尺寸，而且有助于提高头戴显示光学系统的分辨率，提高头戴显示光学系统的成像质量。

进一步地，第二透镜202和第三透镜203进行胶合，且第三透镜203和第四透镜204进行胶合，从而可以进一步减小透镜单元2的整体尺寸，同时进一步提高头戴显示光学系统的成像质量。

进一步地，第一透镜201的中心轴、第二透镜202的中心轴、第三透镜203的中心轴、第四透镜204的中心轴、第五透镜205的中心轴与微显示器的中心轴的距离均不大于0.1毫米，第一透镜201的中心轴、第二透镜202的中心轴、第三透镜203的中心轴、第四透镜204的中心轴、第五透镜205的中心轴与微显示器的中心轴的夹角均不大于0.5°。具体地，第一透镜201的中心轴与微显示器的中心轴的距离不大于0.1毫米，第一透镜201的中心轴与微显示器的中心轴的夹角不大于0.5°；第二透镜202的中心轴与微显示器的中心轴的距离不大于0.1毫米，第二透镜202的中心轴与微显示器的中心轴的夹角不大于0.5°；第三透镜203的中心轴与微显示器的中心轴的距离不大于0.1毫米，第三透镜203的中心轴与微显示器的中心轴的夹角不大于0.5°；第四透镜204的中心轴与微显示器的中心轴的距离不大于0.1毫米，第四透镜204的中心轴与微显示器的中心轴的夹角不大于0.5°；第五透镜205的中心轴与微显示器的中心轴的距离不大于0.1毫米，第五透镜205的中心轴与微显示器的中心轴的夹角不大于0.5°，从而能保证头戴显示光学系统具有良好的成像质量。

进一步地，第一透镜201、第二透镜202、第三透镜203、第四透镜204以及第五透镜205的面型可以为球面非球面或自由曲面，优选为非球面面型，可以进一步矫正成像质量，且加工方式简单，易于批量生产和装配。

第一透镜201、第二透镜202、第三透镜203、第四透镜204以及第五透镜205可以全部由树脂材料制成，也可以全部由玻璃材料制成，也可以是部分用树脂材料制成、部分用玻璃材料制成。

头戴显示光学系统的视场角为45°时，其对应的MTF曲线(Modulation TransferFunction，即调制传递函数)如图4所示。由于当空间频率为30lp/mm时，MTF值越高，则分辨率越高，进而图像成像质量越高；从图4中可知，图中各曲线代表不同视场下的MTF曲线，各视场的MTF曲线在空间频率为30lp/mm时均大于0.6，远大于人眼的分辨极限，因此本实施例的头戴显示光学系统的成像质量很高。

头戴显示光学系统的视场角为45°时，其对应的网格畸变如图5所示。由于网格畸变数值越小，图像的畸变就越小；从图5中可知，最大的网格畸变为-1.0343％，远小于人眼能够分辨5％的畸变量，因此本实施例的头戴显示光学系统具有很好的图像呈现效果，无需进行畸变矫正。

请参阅图6，在一个实施例中，透镜单元2包括沿光路依次设置的第六透镜206、第七透镜207、第八透镜208、第九透镜209、第十透镜210以及第十一透镜211，其中第六透镜206为具有正光焦度的弯月透镜，第七透镜207为具有正光焦度的弯月透镜，第八透镜208为具有正光焦度的双凸透镜，第九透镜209为具有负光焦度的双凹透镜，第十透镜210为具有正光焦度的双凸透镜，第十一透镜211为具有正光焦度的弯月透镜；第六透镜206、第七透镜207、第八透镜208、第九透镜209、第十透镜210以及第十一透镜211共轴。通过透镜单元2的第六透镜206、第七透镜207、第八透镜208、第九透镜209、第十透镜210以及第十一透镜211进行像差矫正，可以有效提高成像质量。

优选地，第七透镜207上靠近第八透镜208的一侧的曲率与第八透镜208上靠近第七透镜207一侧的曲率相同，从而有利于将第七透镜207与第八透镜208进行胶合，不仅可以进一步减小透镜单元2的整体尺寸，而且有助于提高头戴显示光学系统的分辨率，提高头戴显示光学系统的成像质量。

优选地，第八透镜208上靠近第九透镜209的一侧的曲率与第九透镜209上靠近第八透镜208一侧的曲率相同，从而有利于将第八透镜208与第九透镜209进行胶合，不仅可以进一步减小透镜单元2的整体尺寸，而且有助于提高头戴显示光学系统的分辨率，提高头戴显示光学系统的成像质量。

进一步地，第六透镜206的中心轴、第七透镜207的中心轴、第八透镜208的中心轴、第九透镜209的中心轴、第十透镜210的中心轴、第十一透镜211的中心轴与微显示器的中心轴的距离均不大于0.1毫米，第六透镜206的中心轴、第七透镜207的中心轴、第八透镜208的中心轴、第九透镜209的中心轴、第十透镜210的中心轴、第十一透镜211的中心轴与微显示器的中心轴的夹角均不大于0.5°。具体地，第六透镜206的中心轴与微显示器的中心轴的距离不大于0.1毫米，第六透镜206的中心轴与微显示器的中心轴的夹角不大于0.5°；第七透镜207的中心轴与微显示器的中心轴的距离不大于0.1毫米，第七透镜207的中心轴与微显示器的中心轴的夹角不大于0.5°；第八透镜208的中心轴与微显示器的中心轴的距离不大于0.1毫米，第八透镜208的中心轴与微显示器的中心轴的夹角不大于0.5°；第九透镜209的中心轴与微显示器的中心轴的距离不大于0.1毫米，第九透镜209的中心轴与微显示器的中心轴的夹角不大于0.5°；第十透镜210的中心轴与微显示器的中心轴的距离不大于0.1毫米，第十透镜210的中心轴与微显示器的中心轴的夹角不大于0.5°；第十一透镜211的中心轴与微显示器的中心轴的距离不大于0.1毫米，第十一透镜211的中心轴与微显示器的中心轴的夹角不大于0.5°，从而能保证头戴显示光学系统具有良好的成像质量。

进一步地，第六透镜206、第七透镜207、第八透镜208、第九透镜209、第十透镜210以及第十一透镜211的面型可以为球面非球面或自由曲面，优选为非球面面型，可以进一步矫正成像质量，且加工方式简单，易于批量生产和装配。

第六透镜206、第七透镜207、第八透镜208、第九透镜209、第十透镜210以及第十一透镜211可以全部由树脂材料制成，也可以全部由玻璃材料制成，也可以是部分用树脂材料制成、部分用玻璃材料制成。

头戴显示光学系统的视场角为45°时，其对应的MTF曲线(Modulation TransferFunction，即调制传递函数)如图7所示。由于当空间频率为30lp/mm时，MTF值越高，则分辨率越高，进而图像成像质量越高；从图7中可知，图中各曲线代表不同视场下的MTF曲线，各视场的MTF曲线在空间频率为30lp/mm时均大于0.6，远大于人眼的分辨极限，因此本实施例的头戴显示光学系统的成像质量很高。

头戴显示光学系统的视场角为45°时，其对应的网格畸变如图8所示。从图8中可知，最大的网格畸变为-1.0150％，远小于人眼能够分辨5％的畸变量，因此本实施例的头戴显示光学系统具有很好的图像呈现效果，无需进行畸变矫正。

请参阅图9，进一步地，第八透镜208和第九透镜209进行胶合，从而可以进一步减小透镜单元2的整体尺寸。头戴显示光学系统的视场角为45°时，其对应的MTF曲线(Modulation Transfer Function，即调制传递函数)如图10所示。由于当空间频率为30lp/mm时，MTF值越高，则分辨率越高，进而图像成像质量越高；从图10中可知，图中各曲线代表不同视场下的MTF曲线，各视场的MTF曲线在空间频率为30lp/mm时均大于0.8，远大于人眼的分辨极限，因此本实施例的头戴显示光学系统的成像质量很高。

头戴显示光学系统的视场角为45°时，其对应的网格畸变如图11所示。从图11中可知，最大的网格畸变为1.0352％，远小于人眼能够分辨5％的畸变量，因此本实施例的头戴显示光学系统具有很好的图像呈现效果，无需进行畸变矫正。

进一步地，第七透镜207和第八透镜208进行胶合，从而可以进一步减小透镜单元2的整体尺寸，同时进一步提高头戴显示光学系统的成像质量。

应当理解的是，透镜单元2也可以包括7个及7个以上的透镜，此处不做限制。

请参阅图12，进一步地，第一光学单元3包括第一光学镜片31，第一光学镜片31朝向透镜单元2的表面为第一上表面311，第一光学镜片31背向透镜单元2的表面为第一下表面312。

在一个实施例中，第一上表面311上设有第一半反半透膜，第一下表面312上设有第一增透膜。此处半反半透膜指的是入射光束经过半反半透膜后一部分发生反射，一部分发生透射；此处增透膜可以减少反射，增加透射。当光束经过透镜单元2入射到第一光学镜片31时，光束与第一光学镜片31的第一上表面311接触，入射光束的一部分发生反射，一部分发生透射；发生透射的部分到达第一下表面312，并且在第一增透膜的作用下从第一光学镜片31中出射，出射的光束到达挡光装置5后被吸收；发生反射的部分到达第二光学单元4后再反射回第一光学镜片31，且依次经过第一上表面311和第一下表面312，在第一增透膜的作用下从第一光学镜片31中出射，出射的光束到达用户的眼睛5，从而使得用户看到微显示器发射的图像。

在一个实施例中，第一增透膜设于第一上表面311上，第一半反半透膜设于第一下表面312上，光束到达第一光学镜片31后的过程与上述情形类似，此处不再赘述。

优选地，第一半反半透膜的透反比(即透射光线与反射光线的比例)为7:3，即当入射光束经过第一半反半透膜后，70％的入射光发生透射，30％的入射光发生反射。由于透射光线的比例越大，底部光线经第一光学镜片31反射后进入用户的眼睛5的光线就越少，从而环境杂散光产生的反射光线的影响越小，用户体验更好。

应当理解的是，第一半反半透膜的透反比也可以为其他值，例如透反比可为5:5、6:4、8:2或9:1等，可以根据需要进行设置，此处不做限制。

在本实施例中，第一光学镜片31的中心轴与透镜单元2的中心轴的夹角为45°，第一光学镜片31的中心轴与Y方向的夹角不大于5°。具体地，第一光学镜片31绕X方向偏转的角度不大于5°，第一光学镜片31绕Y方向偏转的角度不大于5°；优选地，第一光学镜片31绕X方向偏转的角度不大于0.5°，第一光学镜片31绕Y方向偏转的角度不大于0.5°，从而能保证头戴显示光学系统具有良好的成像质量。

在一个实施例中，第一光学镜片31为非平面镜，第一光学镜片31在X方向上的偏移不超过1毫米，第一光学镜片31在Y方向上的偏移不超过1毫米；优选地，第一光学镜片31在X方向上的偏移不超过0.1毫米，第一光学镜片31在Y方向上的偏移不超过0.1毫米，从而能保证头戴显示光学系统具有良好的成像质量。

在一个实施例中，第一光学镜片31为平面镜，此时其在X方向上和Y方向上的偏移不影响其成像质量，从而其装配更加简单，有利于头戴显示光学系统形成良好的成像质量。

请参阅图13，进一步地，第二光学单元4包括第二光学镜片41，第二光学镜片41朝向第一光学单元3的表面为第二上表面411，第二光学镜片41背向第一光学单元3的表面为第二下表面412。

在一个实施例中，第二上表面411上设有第二半反半透膜，用于反射来自第一光学单元3的光束；第二下表面412上设有第二增透膜，用于透射来自环境的光线。一方面，来自第一光学单元3的光束到达第二光学镜片41后，光束与第二光学镜片41的第二上表面411接触，入射光束的一部分发生反射，一部分发生透射；发生透射的部分到达第二下表面412，并且在第二增透膜的作用下从第二光学镜片41中出射到头戴显示光学系统外；发生反射的部分则到达第一光学镜片31。另一方面，来自环境的光线依次经过第二光学镜片41的第二下表面412和第二上表面411后进入到头戴显示光学系统中，并入射到第一光学镜片31处；入射到第一光学镜片31处的环境光束依次经过第一上表面311和第一下表面312，在第一增透膜的作用下从第一光学镜片31中出射，出射的光束到达用户的眼睛5，从而使得用户也可以看到环境图像，即用户可以同时看到微显示器的图像以及环境图像，从而实现外界场景与屏幕信息之间的交互。在第二光学镜片41的第二下表面412上设置第二增透膜，有利于头戴显示光学系统内需要出射的光束出射到外部，减少杂散光对成像质量的影响，同时环境光线能够有效透射到显示光学系统内，从而使得用户能够获得更明亮的环境图像，改善成像质量，提高用户体验。

在一个实施例中，第二增透膜设于第二上表面411上，第二半反半透膜设于第二下表面412上，光束到达第二光学镜片41后的过程与上述情形类似，此处不再赘述。

应当理解的是，第二半反半透膜的透反比可以根据需要进行设置，例如可以为5:5、6:4、7:3、8:2或9:1等，此处不做限制。

进一步地，第二光学镜片41是具有等厚度的球面镜、等厚度的非球面镜或等厚度的自由曲面镜。优选地，第二光学镜片41为具有等厚度的球面镜，易于加工。此处等厚度指的是第二光学镜片各处的厚度相等。

在本实施例中，第二光学镜片41的中心轴与微显示器的中心轴相垂直，第二光学镜片41的中心轴与Y方向的夹角不大于0.5°。具体地，第二光学镜片41绕X方向偏转的角度不大于0.5°，第二光学镜片41绕Y方向偏转的角度不大于0.5°；优选地，第二光学镜片41绕X方向偏转的角度不大于0.1°，第二光学镜片41绕Y方向偏转的角度不大于0.1°，从而能保证头戴显示光学系统具有良好的成像质量。

在本实施例中，第二光学镜片41在X方向上的偏移不超过0.5毫米，第二光学镜片41在Y方向上的偏移不超过0.5毫米；优选地，第二光学镜片41在X方向上的偏移不超过0.05毫米，第二光学镜片41在Y方向上的偏移不超过0.05毫米，从而能保证头戴显示光学系统具有良好的成像质量。

在一个实施例中，第二光学镜片41由玻璃材料制成，第二光学镜片41内均匀分布有光致变色材料。具体地，光之变色材料与玻璃材料均匀混合后制作成第二光学镜片41，从而使得第二光学镜片41在变色时能达到均匀变色的效果。

在一个实施例中，第二光学镜片41由树脂材料制成，第二光学镜片41的表面均匀镀有光致变色涂层，从而使得第二光学镜片41在变色时能达到均匀变色的效果。

在一个实施例中，第二光学镜片41由树脂材料制成，第二光学镜片41的表面均匀渗透有光致变色材料，从而使得第二光学镜片41在变色时能达到均匀变色的效果。

光致变色是指光致变色材料在受到指定波长照射时，其吸收光谱发生变化的可逆过程。光致变色材料包括卤化银体系、二芳基乙烯、俘精酸酐、螺吡喃、螺嗪、偶氮类及相关的杂环化合物。在本实施例中，当具有光致变色材料的第二光学镜片41在太阳光较强的环境中时，第二光学镜片41会受到紫外线等短波长光线的照射，此时第二光学镜片41的颜色会均匀变深，第二光学镜片41对环境光线的透过率降低，从而使得通过第二光学镜片41进入到头戴显示光学系统中的光线量减少，使得用户在光线较强的环境下依旧可以舒适使用；当环境光线较暗时，第二光学镜片41的颜色变浅，第二光学镜片41对环境光线的透过率增加，从而使得通过第二光学镜片41进入到头戴显示光学系统中的光线量增加，使得用户在光线较暗的环境下依旧可以正常使用。

请参阅图14，进一步地，第一光学镜片31在第二光学镜片41方向上投影面积不小于第二光学镜片41的尺寸，从而使得通过第二光学镜片41进入到头戴显示光学系统中的环境光束均能到达第一光学镜片31，且均通过第一光学镜片31后才到达用户的眼睛5，从而使得用户看到的外部图像具有更好的一致性，同时外部图像与屏幕图像具有更好的一致性，用户体验更好。参阅图15，与之相对应的是，当第一光学镜片31在第二光学镜片41方向上投影面积小于第二光学镜片41的尺寸时，一方面通过第二光学镜片41进入到头戴显示光学系统中的环境光束一部分会通过第一光学镜片31后才到达用户的眼睛5，这部分光线较暗，而一部分会直接到达用户的眼睛5，这部分光线则较亮，此时用户观看到的外部图像就会出现一些区域亮而另外一些区域暗的情况，外部图像的一致性不好；另一方面屏幕图像与外部图像不能很好地匹配，两者的一致性低，用户的眼睛5容易产生疲劳。

优选地，第一光学镜片31在第二光学镜片41方向上投影面积与第二光学镜片41的尺寸相同，不仅保证用户看到的外部图像具有很好的一致性，而且有利于减小头戴显示光学系统的整体尺寸。

本实施例的目的还在于提供一种头戴显示设备，包括上述的头戴显示光学系统。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种头戴显示光学系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的：

图像产生单元，用于产生和发射携带图像信息的光束；

透镜单元，用于透射光束并缩小所述头戴显示光学系统的有效焦距；

第一光学单元，用于对光束进行反射和透射，所述第一光学单元的中心轴与所述透镜单元的中心轴成第一预设夹角；

第二光学单元，用于对光束进行反射，所述第二光学单元的中心轴与所述透镜单元的中心轴成第二预设夹角；

光束经所述第二光学单元反射后回到所述第一光学单元，并经所述第一光学单元透射后进入用户的眼睛。

2.如权利要求1所述的头戴显示光学系统，其特征在于：所述第一预设夹角为45°，所述第二预设夹角为90°；

所述图像产生单元为微显示器，所述微显示器与所述透镜单元共轴；

所述第二光学单元的中心轴所在的方向为X方向，所述微显示器的中心轴所在的方向为Y方向，所述X方向与所述Y方向相互垂直，所述微显示器的中心轴与所述第二光学单元的中心轴垂直相交于所述第一光学单元；

所述透镜单元至少包括5个沿光路依次设置的透镜，所述透镜单元在Y方向上的高度不大于100毫米。

3.如权利要求2所述的头戴显示光学系统，其特征在于：

所述透镜单元包括沿光路依次设置的：

第一透镜，所述第一透镜为具有正光焦度的弯月透镜；

第二透镜，所述第二透镜为具有正光焦度的双凸透镜；

第三透镜，所述第三透镜为具有负光焦度的双凹透镜；

第四透镜，所述第四透镜为具有正光焦度的双凸透镜；

第五透镜，所述第五透镜为具有正光焦度的弯月透镜；

所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜以及所述第五透镜共轴。

4.如权利要求3所述的头戴显示光学系统，其特征在于：

所述第一透镜的中心轴、所述第二透镜的中心轴、所述第三透镜的中心轴、所述第四透镜的中心轴、所述第五透镜的中心轴与所述微显示器的中心轴的距离均不大于0.1毫米；

所述第一透镜的中心轴、所述第二透镜的中心轴、所述第三透镜的中心轴、所述第四透镜的中心轴、所述第五透镜的中心轴与所述微显示器的中心轴的夹角均不大于0.5°。

5.如权利要求2所述的头戴显示光学系统，其特征在于：

所述透镜单元包括沿光路依次设置的：

第六透镜，所述第六透镜为具有正光焦度的弯月透镜；

第七透镜，所述第七透镜为具有正光焦度的弯月透镜；

第八透镜，所述第八透镜为具有正光焦度的双凸透镜；

第九透镜，所述第九透镜为具有负光焦度的双凹透镜；

第十透镜，所述第十透镜为具有正光焦度的双凸透镜；

第十一透镜，所述第十一透镜为具有正光焦度的弯月透镜；

所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜以及所述第十一透镜共轴。

6.如权利要求5所述的头戴显示光学系统，其特征在于：

所述第六透镜的中心轴、所述第七透镜的中心轴、所述第八透镜的中心轴、所述第九透镜的中心轴、所述第十透镜的中心轴、所述第十一透镜的中心轴与所述微显示器的中心轴的距离均不大于0.1毫米；

所述第六透镜的中心轴、所述第七透镜的中心轴、所述第八透镜的中心轴、所述第九透镜的中心轴、所述第十透镜的中心轴、所述第十一透镜的中心轴与所述微显示器的中心轴的夹角均不大于0.5°。

7.如权利要求2～6任一项所述的头戴显示光学系统，其特征在于：所述第一光学单元包括第一光学镜片，所述第一光学镜片朝向所述透镜单元的表面设有第一半反半透膜，所述第一光学镜片背向所述透镜单元的表面设有第一增透膜；

或者，

所述第一光学镜片朝向所述透镜单元的表面设有第一增透膜，所述第一光学镜片背向所述透镜单元的表面设有第一半反半透膜；

所述第二光学单元包括第二光学镜片，所述第二光学镜片朝向所述第一光学单元的表面设有第二半反半透膜，所述第二光学镜片背向所述第一光学单元的表面设有第二增透膜；

或者，

所述第二光学镜片朝向所述第一光学单元的表面设有第二增透膜，所述第二光学镜片背向所述第一光学单元的表面设有第二半反半透膜。

8.如权利要求7所述的头戴显示光学系统，其特征在于：

所述第一光学镜片的中心轴与所述Y方向的夹角不大于5°；

所述第一光学镜片为非平面镜，所述第一光学镜片在X方向上的偏移不超过1毫米，所述第一光学镜片在Y方向上的偏移不超过1毫米；

所述第二光学镜片的中心轴与所述微显示器的中心轴相垂直，所述第二光学镜片的中心轴与所述Y方向的夹角不大于0.5°；

所述第二光学镜片在X方向上的偏移不超过0.5毫米，所述第二光学镜片41在Y方向上的偏移不超过0.5毫米。

9.如权利要求8所述的头戴显示光学系统，其特征在于：所述第二光学镜片为等厚光学镜片；

所述第二光学镜片为树脂镜片，所述第二光学镜片的表面镀有光致变色涂层；

或者，

所述第二光学镜片为树脂镜片，所述第二光学镜片的表面渗透有光致变色材料；

或者，

所述第二光学镜片为玻璃镜片，所述第二光学镜片内均匀分布有光致变色材料。

10.一种头戴显示设备，其特征在于：包括权利要求1～9任一项所述的头戴显示光学系统。