CN212846157U

CN212846157U - 成像结构和头戴显示设备

Info

Publication number: CN212846157U
Application number: CN202022382932.0U
Authority: CN
Inventors: 史柴源; 杨春; 宋文宝
Original assignee: Qingdao Goertek Technology Co Ltd
Current assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2020-10-22
Filing date: 2020-10-22
Publication date: 2021-03-30
Anticipated expiration: 2030-10-22

Abstract

本实用新型公开了一种成像结构和头戴显示设备，所述成像结构包括：显示屏幕、第一成像透镜和第二成像透镜，所述显示屏幕用于发射圆偏振的成像光线；所述第一成像透镜设于所述成像光线的出射方向；所述第二成像透镜设于所述第一成像透镜背离所述显示屏幕的一侧的光路中，所述第一成像透镜的入光面设置半反半透膜，所述第二成像透镜的入光面设置四分之一波片和偏振反射膜，所述四分之一波片和所述偏振反射膜沿所述成像光线的出射方向依次设置，所述第一成像透镜的入光面和出光面至少其中之一为非球面，所述第二透镜的出光面为非球面。本实用新型的技术方案能够减少显示图像畸变的同时，还能够避免功耗的增加。

Description

成像结构和头戴显示设备

技术领域

本实用新型涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种成像结构和头戴显示设备。

背景技术

头戴显示设备是一种能够使用户获得身临其境的感官体验的电子设备，随着技术的进步，头戴显示设备的体积越来越小。在头戴显示设备进行画面显示时，需要将小图像放大传递，在这个过程中易导致图像出现畸变。为此，需要对显示图像进行校正处理，减少显示图像的畸变。但是在对显示图像进行校正处理时，导致了系统的功耗增加。

实用新型内容

基于此，针对显示图像进行校正处理，导致了系统的功耗增加的问题，有必要提供一种成像结构和头戴显示设备，旨在能够减少显示图像畸变的同时，还能够避免功耗的增加。

为实现上述目的，本实用新型提出的一种成像结构，所述成像结构包括：

显示屏幕，所述显示屏幕用于发射圆偏振的成像光线；

第一成像透镜，所述第一成像透镜设于所述成像光线的出射方向；以及

第二成像透镜，所述第二成像透镜设于所述第一成像透镜背离所述显示屏幕的一侧的光路中，所述第一成像透镜的入光面设置半反半透膜，所述第二成像透镜的入光面设置四分之一波片和偏振反射膜，所述四分之一波片和所述偏振反射膜沿所述成像光线的出射方向依次设置，所述第一成像透镜的入光面和出光面至少其中之一为非球面，所述第二成像透镜的出光面为非球面。

可选地，所述成像结构还包括偏振膜，所述偏振膜设于所述第二成像透镜的入光面和所述偏振反射膜之间。

可选地，所述成像结构还包括增透膜，所述第一成像透镜的出光面和所述第二成像透镜的出光面至少其中之一设置所述增透膜。

可选地，所述第一成像透镜的入光面和出光面均为非球面，所述第一成像透镜的入光面和出光面均向所述显示屏幕凸起，所述第二成像透镜的入光面为平面。

可选地，所述成像结构还包括移动部件，所述第一成像透镜设于所述移动部件，所述移动部件带动所述第一成像透镜在所述显示屏幕和所述第二成像透镜之间的光路移动。

可选地，所述成像结构的厚度为L，则满足关系：L＜30mm。

可选地，所述第一成像透镜的光焦度为

所述第一成像透镜的折射率为n1，所述第一成像透镜的色散系数为V1，所述第一成像透镜的厚度为D1，则满足关系：

1.45＜n1＜1.60，50＜V1＜75，2mm＜D1＜8mm。

可选地，所述第二成像透镜的光焦度为

所述第二成像透镜的折射率为n2，所述第二成像透镜的色散系数为V2，所述第二成像透镜的厚度为D2，则满足关系：

1.45＜n2＜1.60，50＜V2＜75，2mm＜D2＜8mm。

可选地，所述第一成像透镜的出光面与所述第二成像透镜的入光面之间的距离为T，则满足关系：5mm＜T＜20mm。

此外，为了解决上述问题，本实用新型还提供一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括壳体和如上文所述成像结构，所述成像结构设于所述壳体。

本实用新型提出的技术方案中，显示屏幕发出的圆偏振成像光线射向第一成像透镜，成像光线经过第一成像透镜的入光面的半反半透膜透射时，一部分成像光线反射，另一部分成像光线透射。透射半反半透膜的成像光线穿过第一成像透镜。成像光线射向第二成像透镜的入光面的四分之一波片，成像光线的偏振状态由圆偏振转化为线偏振，线偏振状态的成像光线射向偏振反射膜，此时，偏振反射膜的偏振透过方向和线偏振状态的成像光线的偏振方向不同，成像光线无法穿过偏振反射膜，被偏振反射膜反射回四分之一波片。成像光线穿过四分之一波片后，线偏振状态再次转化为圆偏振状态，并再次射向半反半透膜。成像光线在半反半透膜表面再次发生反射和透射，一部分成像光线再次被反射回四分之一波片，再次产生线偏振状态的成像光线，经过两次反射，线偏振状态的成像光线的偏振角度发生转动，此时，成像光线的偏振方向和偏振反射膜的偏振方向相同，成像光线穿过偏振反射膜。通过成像光线在半反半透膜和偏振反射膜之间多次折反射，减小体积。同时显示图像经过放大，在这个显示图像经过放大的过程中，通过第一成像透镜和第二成像透镜的非球面设计调整显示图像的聚焦位置，从而减少显示图像的畸变。继而可知，本方案不需要再对显示图像另外进行校正处理，显示图像在经过第一成像透镜和第二成像透镜的传递过程中，已经完成对显示图像畸变的处理，从而避免系统功耗的增加。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型成像结构一实施例的结构示意图；

图2为图1中A部分的放大结构示意图；

图3为本实用新型一实施例的点列图；

图4为本实用新型一实施例的调制传递函数曲线图；

图5为本实用新型一实施例的场曲与畸变图；

图6为本实用新型一实施例的垂轴色差图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	显示屏幕	310	四分之一波片
110	成像光线	320	偏振反射膜
				20	第一成像透镜	330	偏振膜
30	第二成像透镜	40	人眼

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

显示图像的畸变一般是透镜的汇聚或发散导致的，也可以是汇聚和发散的双重作用导致的，显示图像的畸变导致画面扭曲变形，尤其是在图像的边缘位置。为了使画面的显示更加清晰，需要对显示图像进行校正处理，这种校正处理是通过运算修正的方式完成的。校正显示图像的畸变，需要处理器高速运转，为此需要持续的消耗能量，导致系统的功耗增加。

为了解决上述问题，参阅图1和图2所示，本实用新型提供一种成像结构，成像结构包括：显示屏幕10、第一成像透镜20和第二成像透镜30。显示屏幕10用于发射圆偏振的成像光线110；第一成像透镜20和第二成像透镜30沿成像光线110的传播方向依次设置。第一成像透镜20和第二成像透镜30的材质可以是玻璃，玻璃具有更好的光学折反射特性。第一成像透镜20和第二成像透镜30的材质也可以是塑料，塑料具有较好的可塑性，可以依据需要注塑成型，且便于加工，加工成本低。

第一成像透镜20设于成像光线110的出射方向；第二成像透镜30设于第一成像透镜20背离显示屏幕10的一侧的光路中，第一成像透镜20的入光面设置半反半透膜，第二成像透镜30的入光面设置四分之一波片310和偏振反射膜320，四分之一波片310和偏振反射膜320沿成像光线110的出射方向依次设置。四分之一波片310和偏振反射膜320可以为独立的光学元件，也可以是设置在第二成像透镜30表面的膜层，设置的方式可以是贴覆的方式，也可以是镀膜的方式。另外，半反半透膜的设置方式也可以是贴覆的，还可以是镀膜设置。第一成像透镜20的入光面和出光面至少其中之一为非球面，第二成像透镜30的出光面为非球面。非球面的设计用来改变第一成像透镜20和第二成像透镜30表面的曲率，尤其是调整成像透镜边缘位置的曲率，从而调节显示图像的边缘区域，继而调节显示图像的显示效果。

本实用新型提出的技术方案中，显示屏幕10发出的圆偏振成像光线110射向第一成像透镜20，成像光线110经过第一成像透镜20的入光面的半反半透膜透射时，一部分成像光线110反射，另一部分成像光线110透射。透射半反半透膜的成像光线110穿过第一成像透镜20。成像光线110射向第二成像透镜30的入光面的四分之一波片310，成像光线110的偏振状态由圆偏振转化为线偏振，线偏振状态的成像光线110射向偏振反射膜320，此时，偏振反射膜320的偏振透过方向和线偏振状态的成像光线110的偏振方向不同，成像光线110无法穿过偏振反射膜320，被偏振反射膜320反射回四分之一波片310。成像光线110穿过四分之一波片310后，线偏振状态再次转化为圆偏振状态，并再次射向半反半透膜。成像光线110在半反半透膜表面再次发生反射和透射，一部分成像光线110再次被反射回四分之一波片310，再次产生线偏振状态的成像光线110，经过两次反射，线偏振状态的成像光线110的偏振角度发生转动，此时，成像光线110的偏振方向和偏振反射膜320的偏振方向相同，成像光线110穿过偏振反射膜320。通过成像光线110在半反半透膜和偏振反射膜320之间多次折反射，减小体积。同时显示图像经过放大，在这个显示图像经过放大的过程中，通过第一成像透镜20和第二成像透镜30的非球面设计调整显示图像的聚焦位置，从而减少显示图像的畸变。继而可知，本方案不需要再对显示图像另外进行校正处理，显示图像在经过第一成像透镜20和第二成像透镜30的传递过程中，已经完成对显示图像畸变的处理，从而避免系统功耗的增加。

在上述实施例中，成像光线110通过第一成像透镜20和第二成像透镜30后，容易出现杂散光，成像结构还包括偏振膜330，偏振膜330设于第二成像透镜30的入光面和偏振反射膜320之间。偏振膜330也称呼为偏光片。偏振膜330能够进一步消除杂散光，使显示图像的成像效果更佳清晰。

在上述实施例中，为了提高显示图像的画面亮度，成像结构还包括增透膜，第一成像透镜10的出光面和第二成像透镜20的出光面至少其中之一设置增透膜。通过增透膜的设置，能够提高成像光线110的透过率。增透膜可是独立的光学元件，也可以是采用贴覆方式设置在第一成像透镜20的出光面或第二成像透镜的出光面。

在上述实施例中，为了进一步的减少畸变，第一成像透镜20的入光面和出光面均为非球面，第一成像透镜20的入光面和出光面均向显示屏幕10凸起，第二成像透镜30的入光面为平面。通过第一成像透镜20的两个表面的非球面设计，两个表面同时完成对成像光线110的校正。另外，显示屏幕10中设置显示芯片，显示芯片的尺寸较小，需要将成像光线110进行放大处理。第一成像透镜20的入光面和出光面均向显示屏幕10凸起，成像光线110经过第一成像透镜20后光线发散，利于显示图像的放大。

用户在使用成像结构时，由于用户自身的视力因素影响，在同样的人眼40观察位置，近视的用户可能无法观察到清晰的显示画面。为此，成像结构还包括移动部件，第一成像透镜20设于移动部件，移动部件带动第一成像透镜20在显示屏幕10和第二成像透镜30之间的光路移动。例如，成像结构包括外壳，移动部件是螺纹连接于外壳，在转动移动部件时，第一成像透镜20随同移动部件一同移动，从而使第一成像透镜20在显示屏幕10和第二成像透镜30之间的光路移动。继而完成对第一成像透镜20位置的调节。第一成像透镜20在移动过程中，成像光线110的聚焦位置发生改变，由此可以依据用户的视力情况进行调节，保证成像在用户人眼40位置的显示图像是清晰的。本实施例的技术方案，能够满足0°～800°近视用户的使用要求。

在上述实施例中，为了便于携带使用成像结构，成像结构的厚度为L，则满足关系：L＜30mm，在这个范围内能够保证成像结构的体积小，如此，便于随身携带。

在上述实施例中，为了使用户能够观察到清晰成像，第一成像透镜20的光焦度为

第一成像透镜20的折射率为n1，第一成像透镜20的色散系数为V1，第一成像透镜20的厚度为D1，则满足关系：

1.45＜n1＜1.60，50＜V1＜75，2mm＜D1＜8mm。第一成像透镜20的光焦度为

第一成像透镜20的折射率为n1，第一成像透镜20的色散系数为V1，第一成像透镜20的厚度为D1，在相应的范围内调节匹配，可以获得清晰的显示图像。

同样地，在上述实施例中，为了使用户能够观察到清晰成像，第二成像透镜30的光焦度为

第二成像透镜30的折射率为n2，第二成像透镜30的色散系数为V2，第二成像透镜30的厚度为D2，则满足关系：

1.45＜n2＜1.60，50＜V2＜75，2mm＜D2＜8mm。第二成像透镜30的光焦度为

第二成像透镜30的折射率为n2，第二成像透镜30的色散系数为V2，第二成像透镜30的厚度为D2，在相应的范围内调节匹配，可以获得清晰的显示图像。

在上述实施例中，为了进一步使成像结构便于携带，第一成像透镜20的出光面与第二成像透镜30的入光面之间的距离为T，则满足关系：5mm＜T＜20mm。第一成像透镜20和第二成像透镜30在这个距离范围内调节，既能够给满足成像清晰的要求，还能够保证成像结构在较小的范围内，进而使成像结构便于携带。

参阅图3所示，本实用新型中的点列图，其中点列图是指由一点发出的光线经图像显示结构后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，用于评价图像显示结构的成像质量。区域1～8的排列顺序是由左至右，由上至下。由此可知，最大视场对应的像高小于24mm。

参阅图4所示，为本实用新型的调制传递函数曲线图，即MTF(ModulationTransfer Function)图，MTF图用于是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力；其中最上面黑色虚线是理论上没有像差的曲线，越靠近黑色实线成像质量越好，曲线均位于0.6以上，符合设计规格。

参阅图5所示，本实用新型中的场曲与畸变图，其中，场曲是指像场弯曲，主要用于表示图像显示结构中，整个显示光线的交点与理想像点的不重合程度。畸变是指物体通过图像显示结构成像时，物体不同部分有不同的放大率的像差，畸变会导致物像的相似性变坏，但不影响像的清晰度。由此可知，场曲均小于5mm，最大视场处畸变在小于1％之间变动，畸变较小，符合设计规定。

参阅图6所示，本实用新型中的垂轴色差图，其中，垂轴色差是指又称为倍率色差，主要是指物方的一根复色主光线，因折射系统存在色散，在像方出射时变成多根光线。由此可知，最大色散的视场最大位置小于50um，可满足后期终端用户的需求。

表一中分别列有由人眼40到显示屏幕10依序编号的光学面号码为第二成像透镜的出光面为S31，第二成像透镜的入光面为S32，第一成像透镜的出光面为S21，第一成像透镜的入光面为S22，S32面和S21面的距离为T。偶次非球面系数α2、α3、α4、α5，其中非球面系数可以满足如下的方程：

举例说明，在计算S31面的面型时，α2＝-1.75624E-08；

α3＝1.32805E-08；

α4＝-4.59237E-12；

α5＝-5.53475E-15。

在计算S21面的面型时，α2＝-7.59365E-06；

α3＝-8.67533E-09；

α4＝4.91089E-11。

在计算S22面的面型时，k＝-3.09283；

α2＝-6.93202E-08；

α3＝-1.35409E-08；

α4＝1.95465E-11。

表一

表面	半径	厚度(mm)	材料
				S31	5.99397E+01	4.85073E+00	K26R
S32	无穷
				T		1.63590E+01
S21	5.03389E+02	2.92779E+00	APL5013VH
				S22	-2.66097E+02

其中，第一成像透镜的材质为APL5013VH，第二成像透镜的材质为K26R。

本实用新型还提供一种头戴显示设备，戴显示设备的显示原理也包括多种，例如，VR(Virtual Reality，虚拟现实)显示，AR(Augmented Reality，增强现实)显示。头戴显示设备包括壳体和如上文的成像结构，成像结构设于壳体。壳体能够提供一个支撑成像结构的安装空间，成像结构设置在壳体内，还能够避免外部环境的水汽或者灰尘落入到成像结构的内部。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。