CN105629479A - 用于呈现三维场景的折反射式头戴显示光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于呈现三维场景的折反射式头戴显示光学系统。包括左右两组结构相同对称布置的光学系统，每组光学系统包括显示屏、自由曲面反射镜和光学透镜；自由曲面反射镜置于光学透镜的正前方，显示屏置于光学透镜的前侧方，显示屏的法线方向与光学透镜的法线方向垂直，自由曲面反射镜的法线方向分别与显示屏、光学透镜呈倾斜角；显示屏发出的光线被自由曲面反射镜反射后发生转向，再经光学透镜折射后进入人眼。本发明能实现缩小虚拟现实头盔的体积与重量，结构简单，设计轻巧，适于产业化生产，成本低。

Description

用于呈现三维场景的折反射式头戴显示光学系统

技术领域

本发明涉及一种虚拟现实头盔中的光学结构，尤其涉及了一种用于呈现三维场景的折反射式头戴显示光学系统。

背景技术

虚拟现实技术(VirtualReality，VR)技术是20世纪80年代提出的一种利用计算机生成的、可交互的、具有沉浸感的视觉虚拟环境，可以按照需要生成多种虚拟环境，广泛应用于城市规划，驾驶培训，室内设计等领域。近年来随着计算机计算能力与各类型传感器的发展，各类型的虚拟现实头盔已出现于市场上，其基本由显示屏或手机以及一对目镜组成，人眼通过目镜可以看到屏幕上放大的图像，传感器感应人头部的变化调整左右屏幕中的图像，使得人眼能看到立体的，具有交互性的视觉图像。

目前市场上虚拟现实头盔的光学结构基本都是人眼，镜片和屏幕三者法线共线，镜片一般都是单镜片式的，因此图像边缘往往不够清晰，并且随着视角的增大，边缘的色散也会越来越大，大大限制了用户的视觉体验，为了增强沉浸感，并且缩小设备的体积，必须采用更复杂的光学结构。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种用于呈现三维场景的折反射式头戴显示光学系统，用于虚拟现实场景的呈现。

本发明采用的技术方案如下：

所述头盔包括左右两组结构相同对称布置的光学系统，每组光学系统包括显示屏、自由曲面反射镜和光学透镜；自由曲面反射镜置于光学透镜的正前方，显示屏置于光学透镜的前侧方，显示屏的法线方向与光学透镜的法线方向垂直，自由曲面反射镜的法线方向分别与显示屏、光学透镜呈倾斜角。显示屏发出的光线被自由曲面反射镜反射后发生转向，再经光学透镜折射后进入人眼，显示屏发出的光线经过反射镜反射后再经光学透镜透射可被双眼接收，使用者能够看到经过光学系统放大的显示屏上的图像。

所述的两组光学系统的两个光学透镜沿人眼方向平行布置，每组光学系统中，瞳距调节支架后端安装在自由曲面反射镜外框中，光学透镜安装在屈光度调节滑块中，屈光度调节滑块的外侧部连接到自由曲面反射镜外框内壁的导轨上，屈光度调节滑块的内侧部连接到瞳距调节支架后端侧壁的导轨上，使得屈光度调节滑块沿人眼视线方向的刀轨移动；瞳距调节支架前端设有凸缘结构，自由曲面反射镜外框前端设有凸缘结构，自由曲面反射镜的两端分别卡合连接在瞳距调节支架前端凸缘和自由曲面反射镜外框前端凸缘之间，自由曲面反射镜的反射面位于内侧面；显示屏固定安装在瞳距调节支架的侧壁且其显示投射方向垂直于人眼方向，两组光学系统的瞳距调节支架前端凸缘端面均连接到左右屏连接导轨沿导轨水平移动，左右屏连接导轨沿垂直于人眼视线方向。

所述两组光学系统中的显示屏相背放置且中心法线共线，且与人眼法线垂直。

所述每组光学系统中的自由曲面反射镜斜放于屏幕和光学镜片之间，自由曲面反射镜的法线分别与显示屏和光学透镜的法线呈30°～60°夹角，使得从显示屏发出的光线经过自由曲面反射镜反射后折转约90°后近垂直于光学透镜进入人眼，且该光线与自由曲面反射镜的交点处的法线和光学透镜的法线呈30°～60°的夹角。

所述的自由曲面反射镜具有正的光焦度，焦距为50mm～100mm，口径为50mm～70mm，厚度为1mm～2mm。

所述的光学透镜表面采用具有正光焦度的面型，光学透镜具体采用球面、非球面或者菲涅尔面型或其他具有正光焦度的面型。

所述的自由曲面反射镜的外部轮廓是圆形、矩形或者不规则形状。

所述的自由曲面反射镜的镜面材料为经过抛光的铝或铝合金，表面镀有反射率高于95％的高反射膜。

所述的光学透镜材料采用塑料或玻璃，光学透镜的结构采用是单一透镜、透镜组或胶合透镜。

所述两组光学系统中的两个光学透镜同时或分别沿着人眼方向前后移动，移动范围为0～10mm。

所述两组光学系统靠近或远离的调节范围为0～15mm。

所述显示屏为两块完全相同的LCD或OLED显示屏，所述光学透镜为两对相同的轴对称的透射光学元件，可以是单透镜，也可以是多镜片组合，或胶合透镜。

本发明的有益效果是：

1.本发明光学系统将原本单镜片的光焦度分散到两个光学元件上，在保持原有沉浸感的前提下，避免了出现制造难度特别大的中心边缘厚度比很大的镜片，提高了镜片的良品率。

2.本发明光学系统光路中的自由曲面反射镜不会产生色差，降低了系统总色散，且还分担了一部分光焦度。反射镜可以设计的很薄，降低了系统的总质量，并且采用压模的方式生产比光学镜片的生产更快速。

3.本发明光学系统的有更多的优化变量，可获得更好的图像质量，使用户看到的图像更清晰，提高了沉浸感。

附图说明

图1是本发明头盔的外观示意图。

图2是本发明实施例中俯视剖面光学结构图。

图3是本发明任意一侧光路图。

图4是本发明实施例自由曲面反射镜的镜面曲线图。

图中：显示屏1、自由曲面反射镜2、光学透镜3、人眼4、左右屏连接导轨5、自由曲面反射镜外框6、屈光度调节滑块7、瞳距调节支架8。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明的头盔包括左右两组结构相同对称布置的光学系统，每组光学系统包括显示屏1、自由曲面反射镜2和光学透镜3；自由曲面反射镜2置于光学透镜3的正前方，显示屏1置于光学透镜3的前侧方，显示屏1的法线方向与光学透镜3的法线方向垂直，自由曲面反射镜2的法线方向分别与显示屏1、光学透镜3呈倾斜角。

如图2所示，两组光学系统的两个光学透镜3沿人眼方向平行布置，每组光学系统中，瞳距调节支架8后端安装在自由曲面反射镜外框6中，光学透镜3安装在屈光度调节滑块7中，屈光度调节滑块7的外侧部连接到自由曲面反射镜外框6内壁的导轨上，屈光度调节滑块7的内侧部连接到瞳距调节支架8后端侧壁的导轨上，使得屈光度调节滑块7沿人眼4视线方向的刀轨移动；瞳距调节支架8前端设有凸缘结构，自由曲面反射镜外框6前端设有凸缘结构，自由曲面反射镜2的两端分别卡合连接在瞳距调节支架8前端凸缘和自由曲面反射镜外框6前端凸缘之间，自由曲面反射镜2的反射面位于内侧面；显示屏1固定安装在瞳距调节支架8的侧壁且其显示投射方向垂直于人眼方向，两组光学系统的瞳距调节支架8前端凸缘端面均连接到左右屏连接导轨5沿导轨水平移动，左右屏连接导轨5沿垂直于人眼4视线方向。

自由曲面反射镜2前端外延的凸缘作为裙边，用以连接瞳距调节支架8与自由曲面反射镜外框6。

两组光学系统中的显示屏1相背放置且中心法线共线，且与人眼法线垂直。

每组光学系统中的自由曲面反射镜2斜放于屏幕和光学镜片之间，自由曲面反射镜2的法线分别与显示屏1和光学透镜3的法线呈30°～60°夹角。

如图3所示，为本发明一侧的光路结构，光线从显示屏1上发出之后，经过自由曲面反射镜2反射并发生汇聚后，进入光学透镜3并发生折射，最后从人眼位置4进入瞳孔，使用者可看到显示屏1上放大的图像。

自由曲面反射镜2表面采用具有正光焦度的面型，焦距为50mm～100mm，口径为50mm～70mm，厚度为1mm～2mm。自由曲面反射镜2的外部轮廓是圆形、矩形或者不规则形状。自由曲面反射镜2的镜面材料为经过抛光的铝或铝合金，表面镀有反射率高于95％的高反射膜。

光学透镜3为光焦度为正的轴对称光学零件，材料可采用光学玻璃也可以是光学塑料，表面可镀有增透膜，硬化膜，防水膜等功能性膜层，其结构可以是单镜片或是胶合透镜，也可以是多镜片组，表面面型可以是球面、非球面或是菲尼尔组合，也可以是几种面型的组合。

两组光学系统靠近或远离的调节范围为0～15mm。左右两侧的两组光学系统可以彼此分开或靠近，用以调整瞳距，使不同的瞳距的人都可以舒适的使用本虚拟现实头盔。

两组光学系统中的两个光学透镜3同时或分别沿着人眼方向前后移动，移动范围为0～10mm。光学透镜可沿着光轴前后移动，用以调整光学系统的屈光度，使近视或远视的使用者也能看到显示屏上清晰的图像。

显示屏1采用高分辨率的LCD或OLED平面显示屏，优选的采用分辨率高于1k的低响应时间OLED平面显示屏。

本发明的具体实施工作过程如下：

自由曲面反射镜采用压模的方法生产，可降低生产成本，提高生产速度。其内表面面型有多重描述方法，优选的，具体实施采用轴对称的非球面，计算公式如下：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+A_{1}r+A_2{r}^2+A_3{r}^3+A_4{r}^4+A_5{r}^5+...A_n{r}^n$

其中，z为矢高(即图4中的纵坐标)，r为非球面顶点到非球面上任意一点的距离(即图4中的横坐标)，c为曲率，k为锥面系数，A₁～A₅…A_N分别为第一、第二、第三、第四、第五、…、第N非球面系数，N为正整数，A₁到A_N项数任意，取值任意。图4为以轴对称的非球面中心法线为z轴，垂直于z轴方向为r轴建立的坐标系，O点为非球面的顶点。曲线代表非球面的剖面轮廓线.由于非球面为轴对称，因此该曲线即可代表非球面表面面型。P为曲线上任意一点，其坐标为P(r，z)。

自由曲面反射镜2采用内凹外凸的具有正光焦度的连续曲面，材料为经过抛光的铝，表面镀有反射率高于99％的高反射膜，可将光线向下弯折向光学透镜3，自由曲面反射镜2的厚度约为1.5mm，轮廓是圆形。

自由曲面反射镜2与光学透镜3组合而成的折反射光学系统具有正的光焦度，焦距为25mm～80mm，相对孔径即光圈为f/2～f/5.6，单眼对角线视场角为80°～120°，可覆盖3寸～4寸的显示屏3。

具体实施中，自由曲面反射镜2采用厚度为1mm的铝制内侧抛光的矩形反射面，镀高反射膜，厚度均匀，尺寸为50mm*50mm，且其中心法线与光学镜片法线或显示屏1法线夹角为45°。屏幕中心发出的光线可以被折转90°后，进入光学透镜3。自由曲面反射镜2的面型系数分别为：c＝0.0004,k＝2647.1,A₄＝

2.311963E-008,A₆＝-1.650046E-011,A₈＝-4.277380E-014，其余系数为0；光学透镜3的靠近人眼的面型系数分别为c＝-0.0104,k＝-0.058268,A₄＝-1.104867E-007,A₆＝-3.971011E-010,A₈＝2.704699E-012，远离人眼的系面型系数为c＝-0.003,k＝1.288586E-003,A₄＝2.308404E-007,A₆＝8.429640E-010,A₈＝-1.112705E-012，镜片材料为E48R，中心厚度为5.53mm，口径为30mm。镜片中心距离人眼位置4的中心距离为15mm，自由曲面反射镜2的中心距离为20mm，自由曲面反射镜2的中心距离显示屏中心的距离为40mm，显示屏1的尺寸大小为2.9英寸的3：2的1080pOLED显示屏。整个光学系统的焦距约为60mm，相对孔径为f/5.6。

具体实施中的光学透镜3采用单镜片结构，且两个表面均采用轴对称非球面，计算公式与上式相同，材料采用低色散光学塑料，色散系数为45～65，折射率为1.48～1.55，前后表面镀增透膜，镜片口径为30mm～50mm，镜片厚度为2mm～15mm。

自由曲面反射镜2的中心距离屏幕15mm～55mm，光学透镜3距离自由曲面反射镜中心10mm～20mm，人眼位置4距离光学透镜3的表面中心的最近距离为6mm～25mm，左右两套光学系统可以左右移动距离为5mm～25mm，光学透镜3可以前后移动的距离为5mm～25mm，光学透镜3远离人眼时焦距最长，适合近视的人使用，随着其靠近人眼，焦距缩短，适合远视的人使用。

由此，本发明避免了出现制造难度特别大的中心边缘厚度比很大的镜片，提高了镜片的良品率，并保持了原有沉浸感，降低了系统总色散，分担了光焦度，更易于生产。

Claims (10)

1.一种用于呈现三维场景的折反射式头戴显示光学系统，其特征在于：所述头盔包括左右两组结构相同对称布置的光学系统，每组光学系统包括显示屏(1)、自由曲面反射镜(2)和光学透镜(3)；自由曲面反射镜(2)置于光学透镜(3)的正前方，显示屏(1)置于光学透镜(3)的前侧方，显示屏(1)的法线方向与光学透镜(3)的法线方向垂直，自由曲面反射镜(2)的法线方向分别与显示屏(1)、光学透镜(3)呈倾斜角；显示屏(1)发出的光线被自由曲面反射镜(2)反射后发生转向，再经光学透镜(3)折射后进入人眼(4)。

2.根据权利要求1所述的一种用于呈现三维场景的折反射式头戴显示光学系统，其特征在于：所述的两组光学系统的两个光学透镜(3)沿人眼方向平行布置，每组光学系统中，瞳距调节支架(8)后端安装在自由曲面反射镜外框(6)中，光学透镜(3)安装在屈光度调节滑块(7)中，屈光度调节滑块(7)的外侧部连接到自由曲面反射镜外框(6)内壁的导轨上，屈光度调节滑块(7)的内侧部连接到瞳距调节支架(8)后端侧壁的导轨上，使得屈光度调节滑块(7)沿人眼(4)视线方向的刀轨移动；瞳距调节支架(8)前端设有凸缘结构，自由曲面反射镜外框(6)前端设有凸缘结构，自由曲面反射镜(2)的两端分别卡合连接在瞳距调节支架(8)前端凸缘和自由曲面反射镜外框(6)前端凸缘之间，自由曲面反射镜(2)的反射面位于内侧面；显示屏(1)固定安装在瞳距调节支架(8)的侧壁且其显示投射方向垂直于人眼方向，两组光学系统的瞳距调节支架(8)前端凸缘端面均连接到左右屏连接导轨(5)沿导轨水平移动，左右屏连接导轨(5)沿垂直于人眼(4)视线方向。

3.根据权利要求1所述的一种用于呈现三维场景的折反射式头戴显示光学系统，其特征在于：所述两组光学系统中的显示屏(1)相背放置且中心法线共线，且与人眼法线垂直。

4.根据权利要求1所述的一种用于呈现三维场景的折反射式头戴显示光学系统，其特征在于：所述每组光学系统中的自由曲面反射镜(2)斜放于屏幕和光学透镜(3)之间，自由曲面反射镜(2)的法线分别与显示屏(1)和光学透镜(3)的法线呈30°～60°夹角。

5.根据权利要求1所述的一种用于呈现三维场景的折反射式头戴显示光学系统，其特征在于：所述的自由曲面反射镜(2)具有正的光焦度，焦距为50mm～100mm，口径为50mm～70mm，厚度为1mm～2mm。

6.根据权利要求1或5所述的一种用于呈现三维场景的折反射式头戴显示光学系统，其特征在于：所述的光学透镜(3)表面采用具有正光焦度的面型。

7.根据权利要求1所述的一种用于呈现三维场景的折反射式头戴显示光学系统，其特征在于：所述的自由曲面反射镜(2)的外部轮廓是圆形、矩形或者不规则形状。

8.根据权利要求1所述的一种用于呈现三维场景的折反射式头戴显示光学系统，其特征在于：所述的自由曲面反射镜(2)的镜面材料为经过抛光的铝或铝合金，表面镀有反射率高于95％的高反射膜。

9.根据权利要求1所述的一种用于呈现三维场景的折反射式头戴显示光学系统，其特征在于：所述的光学透镜(3)材料采用塑料或玻璃，光学透镜(3)的结构采用是单一透镜、透镜组或胶合透镜。

10.根据权利要求1所示的一种用于呈现三维场景的折反射式头戴显示光学系统，其特征在于：所述两组光学系统中的两个光学透镜(3)同时或分别沿着人眼方向前后移动，移动范围为0～10mm。