一種用于呈現三維場景的折反射式頭戴顯示光學系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于呈現三維場景的折反射式頭戴顯示光學系統。包括左右兩組結構相同對稱布置的光學系統，每組光學系統包括顯示屏、自由曲面反射鏡和光學透鏡；自由曲面反射鏡置于光學透鏡的正前方，顯示屏置于光學透鏡的前側方，顯示屏的法線方向與光學透鏡的法線方向垂直，自由曲面反射鏡的法線方向分別與顯示屏、光學透鏡呈傾斜角；顯示屏發出的光線被自由曲面反射鏡反射后發生轉向，再經光學透鏡折射后進入人眼。本實用新型能實現縮小虛擬現實頭盔的體積與重量，結構簡單，設計輕巧，適于產業化生產，成本低。
【專利說明】
一種用于呈現三維場景的折反射式頭戴顯示光學系統
技術領域
[0001] 本實用新型涉及一種虛擬現實頭盔中的光學結構，尤其涉及了一種用于呈現三維 場景的折反射式頭戴顯示光學系統。
【背景技術】
[0002] 虛擬現實技術(Virtual Reality，VR)技術是20世紀80年代提出的一種利用計算 機生成的、可交互的、具有沉浸感的視覺虛擬環境，可以按照需要生成多種虛擬環境，廣泛 應用于城市規劃，駕駛培訓，室內設計等領域。近年來隨著計算機計算能力與各類型傳感器 的發展，各類型的虛擬現實頭盔已出現于市場上，其基本由顯示屏或手機以及一對目鏡組 成，人眼通過目鏡可以看到屏幕上放大的圖像，傳感器感應人頭部的變化調整左右屏幕中 的圖像，使得人眼能看到立體的，具有交互性的視覺圖像。
[0003] 目前市場上虛擬現實頭盔的光學結構基本都是人眼，鏡片和屏幕三者法線共線， 鏡片一般都是單鏡片式的，因此圖像邊緣往往不夠清晰，并且隨著視角的增大，邊緣的色散 也會越來越大，大大限制了用戶的視覺體驗，為了增強沉浸感，并且縮小設備的體積，必須 采用更復雜的光學結構。 【實用新型內容】
[0004] 為了解決【背景技術】中存在的問題，本實用新型的目的在于提供了一種用于呈現三 維場景的折反射式頭戴顯示光學系統，用于虛擬現實場景的呈現。
[0005] 本實用新型采用的技術方案如下：
[0006] 所述頭盔包括左右兩組結構相同對稱布置的光學系統，每組光學系統包括顯示 屏、自由曲面反射鏡和光學透鏡；自由曲面反射鏡置于光學透鏡的正前方，顯不屏置于光學 透鏡的前側方，顯示屏的法線方向與光學透鏡的法線方向垂直，自由曲面反射鏡的法線方 向分別與顯示屏、光學透鏡呈傾斜角。顯示屏發出的光線被自由曲面反射鏡反射后發生轉 向，再經光學透鏡折射后進入人眼，顯示屏發出的光線經過反射鏡反射后再經光學透鏡透 射可被雙眼接收，使用者能夠看到經過光學系統放大的顯示屏上的圖像。
[0007] 所述的兩組光學系統的兩個光學透鏡沿人眼方向平行布置，每組光學系統中，瞳 距調節支架后端安裝在自由曲面反射鏡外框中，光學透鏡安裝在屈光度調節滑塊中，屈光 度調節滑塊的外側部連接到自由曲面反射鏡外框內壁的導軌上，屈光度調節滑塊的內側部 連接到瞳距調節支架后端側壁的導軌上，使得屈光度調節滑塊沿人眼視線方向的刀軌移 動;瞳距調節支架前端設有凸緣結構，自由曲面反射鏡外框前端設有凸緣結構，自由曲面反 射鏡的兩端分別卡合連接在瞳距調節支架前端凸緣和自由曲面反射鏡外框前端凸緣之間， 自由曲面反射鏡的反射面位于內側面;顯示屏固定安裝在瞳距調節支架的側壁且其顯示投 射方向垂直于人眼方向，兩組光學系統的瞳距調節支架前端凸緣端面均連接到左右屏連接 導軌沿導軌水平移動，左右屏連接導軌沿垂直于人眼視線方向。
[0008] 所述兩組光學系統中的顯示屏相背放置且中心法線共線，且與人眼法線垂直。
[0009]所述每組光學系統中的自由曲面反射鏡斜放于屏幕和光學鏡片之間，自由曲面反 射鏡的法線分別與顯示屏和光學透鏡的法線呈30°~60°夾角，使得從顯示屏發出的光線經 過自由曲面反射鏡反射后折轉約90°后近垂直于光學透鏡進入人眼，且該光線與自由曲面 反射鏡的交點處的法線和光學透鏡的法線呈30°~60°的夾角。
[00?0] 所述的自由曲面反射鏡具有正的光焦度，焦距為50mm~100mm，口徑為50mm~ 70mm，厚度為1mm~2mm。
[0011] 所述的光學透鏡表面采用具有正光焦度的面型，光學透鏡具體采用球面、非球面 或者菲涅爾面型或其他具有正光焦度的面型。
[0012] 所述的自由曲面反射鏡的外部輪廓是圓形、矩形或者不規則形狀。
[0013] 所述的自由曲面反射鏡的鏡面材料為經過拋光的鋁或鋁合金，表面鍍有反射率高 于95%的高反射膜。
[0014] 所述的光學透鏡材料采用塑料或玻璃，光學透鏡的結構采用是單一透鏡、透鏡組 或膠合透鏡。
[0015] 所述兩組光學系統中的兩個光學透鏡同時或分別沿著人眼方向前后移動，移動范 圍為0~10mm。
[0016] 所述兩組光學系統靠近或遠離的調節范圍為0~15_。
[0017] 所述顯示屏為兩塊完全相同的LCD或OLED顯示屏，所述光學透鏡為兩對相同的軸 對稱的透射光學元件，可以是單透鏡，也可以是多鏡片組合，或膠合透鏡。
[0018] 本實用新型的有益效果是：
[0019] 1.本實用新型光學系統將原本單鏡片的光焦度分散到兩個光學元件上，在保持原 有沉浸感的前提下，避免了出現制造難度特別大的中心邊緣厚度比很大的鏡片，提高了鏡 片的良品率。
[0020] 2.本實用新型光學系統光路中的自由曲面反射鏡不會產生色差，降低了系統總色 散，且還分擔了一部分光焦度。反射鏡可以設計的很薄，降低了系統的總質量，并且采用壓 模的方式生產比光學鏡片的生產更快速。
[0021] 3.本實用新型光學系統的有更多的優化變量，可獲得更好的圖像質量，使用戶看 到的圖像更清晰，提高了沉浸感。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本實用新型頭盔的外觀示意圖。
[0023] 圖2是本實用新型實施例中俯視剖面光學結構圖。
[0024]圖3是本實用新型任意一側光路圖。
[0025]圖4是本實用新型實施例自由曲面反射鏡的鏡面曲線圖。
[0026]圖中：顯示屏1、自由曲面反射鏡2、光學透鏡3、人眼4、左右屏連接導軌5、自由曲面 反射鏡外框6、屈光度調節滑塊7、瞳距調節支架8。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。
[0028] 如圖1和圖2所示，本實用新型的頭盔包括左右兩組結構相同對稱布置的光學系 統，每組光學系統包括顯示屏I、自由曲面反射鏡2和光學透鏡3;自由曲面反射鏡2置于光學 透鏡3的正前方，顯示屏1置于光學透鏡3的前側方，顯示屏1的法線方向與光學透鏡3的法線 方向垂直，自由曲面反射鏡2的法線方向分別與顯示屏1、光學透鏡3呈傾斜角。
[0029] 如圖2所示，兩組光學系統的兩個光學透鏡3沿人眼方向平行布置，每組光學系統 中，瞳距調節支架8后端安裝在自由曲面反射鏡外框6中，光學透鏡3安裝在屈光度調節滑塊 7中，屈光度調節滑塊7的外側部連接到自由曲面反射鏡外框6內壁的導軌上，屈光度調節滑 塊7的內側部連接到瞳距調節支架8后端側壁的導軌上，使得屈光度調節滑塊7沿人眼4視線 方向的刀軌移動;瞳距調節支架8前端設有凸緣結構，自由曲面反射鏡外框6前端設有凸緣 結構，自由曲面反射鏡2的兩端分別卡合連接在瞳距調節支架8前端凸緣和自由曲面反射鏡 外框6前端凸緣之間，自由曲面反射鏡2的反射面位于內側面;顯示屏1固定安裝在瞳距調節 支架8的側壁且其顯示投射方向垂直于人眼方向，兩組光學系統的瞳距調節支架8前端凸緣 端面均連接到左右屏連接導軌5沿導軌水平移動，左右屏連接導軌5沿垂直于人眼4視線方 向。
[0030] 自由曲面反射鏡2前端外延的凸緣作為裙邊，用以連接瞳距調節支架8與自由曲面 反射鏡外框6。
[0031] 兩組光學系統中的顯示屏1相背放置且中心法線共線，且與人眼法線垂直。
[0032] 每組光學系統中的自由曲面反射鏡2斜放于屏幕和光學鏡片之間，自由曲面反射 鏡2的法線分別與顯示屏1和光學透鏡3的法線呈30°~60°夾角。
[0033] 如圖3所示，為本實用新型一側的光路結構，光線從顯示屏1上發出之后，經過自由 曲面反射鏡2反射并發生匯聚后，進入光學透鏡3并發生折射，最后從人眼位置4進入瞳孔， 使用者可看到顯示屏1上放大的圖像。
[0034]自由曲面反射鏡2表面采用具有正光焦度的面型，焦距為50mm~100mm，口徑為 50mm~70mm，厚度為1mm~2mm。自由曲面反射鏡2的外部輪廓是圓形、矩形或者不規則形狀。 自由曲面反射鏡2的鏡面材料為經過拋光的鋁或鋁合金，表面鍍有反射率高于95%的高反 射膜。
[0035] 光學透鏡3為光焦度為正的軸對稱光學零件，材料可采用光學玻璃也可以是光學 塑料，表面可鍍有增透膜，硬化膜，防水膜等功能性膜層，其結構可以是單鏡片或是膠合透 鏡，也可以是多鏡片組，表面面型可以是球面、非球面或是菲尼爾組合，也可以是幾種面型 的組合。
[0036] 兩組光學系統靠近或遠離的調節范圍為0~15mm。左右兩側的兩組光學系統可以 彼此分開或靠近，用以調整瞳距，使不同的瞳距的人都可以舒適的使用本虛擬現實頭盔。
[0037] 兩組光學系統中的兩個光學透鏡3同時或分別沿著人眼方向前后移動，移動范圍 為0~10mm。光學透鏡可沿著光軸前后移動，用以調整光學系統的屈光度，使近視或遠視的 使用者也能看到顯示屏上清晰的圖像。
[0038]顯示屏1采用高分辨率的LCD或OLED平面顯示屏，優選的采用分辨率高于Ik的低響 應時間OLED平面顯示屏。
[0039] 本實用新型的具體實施工作過程如下：
[0040] 自由曲面反射鏡采用壓模的方法生產，可降低生產成本，提高生產速度。其內表面 面型有多重描述方法，優選的，具體實施采用軸對稱的非球面，計算公式如下：
[0041]
[0042] 其中，z為矢高（即圖4中的縱坐標），r為非球面頂點到非球面上任意一點的距離 (即圖4中的橫坐標），c為曲率，k為錐面系數，A 1-AvAn分別為第一、第二、第三、第四、第 五、…、第N非球面系數，N為正整數，A^IjAN項數任意，取值任意。圖4為以軸對稱的非球面中 心法線為z軸，垂直于z軸方向為r軸建立的坐標系，0點為非球面的頂點。曲線代表非球面的 剖面輪廓線.由于非球面為軸對稱，因此該曲線即可代表非球面表面面型。P為曲線上任意 一點，其坐標為P(r，z)。
[0043] 自由曲面反射鏡2采用內凹外凸的具有正光焦度的連續曲面，材料為經過拋光的 鋁，表面鍍有反射率高于99%的高反射膜，可將光線向下彎折向光學透鏡3,自由曲面反射 鏡2的厚度約為1.5mm，輪廓是圓形。
[0044]自由曲面反射鏡2與光學透鏡3組合而成的折反射光學系統具有正的光焦度，焦距 為25mm~80mm，相對孔徑即光圈為f/2~f/5.6,單眼對角線視場角為80°~120°，可覆蓋3寸 ~4寸的顯示屏3。
[0045] 具體實施中，自由曲面反射鏡2采用厚度為1mm的鋁制內側拋光的矩形反射面，鍍 高反射膜，厚度均勻，尺寸為50mm*50mm，且其中心法線與光學鏡片法線或顯示屏1法線夾角 為45°。屏幕中心發出的光線可以被折轉90°后，進入光學透鏡3。自由曲面反射鏡2的面型系 數分別為 ：c = 0·0004，k = 2647·l，A4 = 2·311963E-008，A6 = -l·650046E-011，A8 = -4.27738(^-014，其余系數為0;光學透鏡3的靠近人眼的面型系數分別為〇 = -0.0104，1^ =-0.058268，Α4 = -1· 104867E-007，A6 = -3.971011E-010，Α8 = 2·704699Ε-012,遠離人眼的系 面型系數為c = -0·003，k=l·288586E-003，A4 = 2·308404E-007，A6 = 8·429640E-010，A8 = -1.112705Ε-012，鏡片材料為E48R，中心厚度為5.53mm，口徑為30mm。鏡片中心距離人眼位置 4的中心距離為15mm，自由曲面反射鏡2的中心距離為20mm，自由曲面反射鏡2的中心距離顯 示屏中心的距離為40mm，顯示屏1的尺寸大小為2.9英寸的3:2的1080p0LED顯示屏。整個光 學系統的焦距約為60mm，相對孔徑為f/5.6。
[0046] 具體實施中的光學透鏡3采用單鏡片結構，且兩個表面均采用軸對稱非球面，計算 公式與上式相同，材料采用低色散光學塑料，色散系數為45~65,折射率為1.48~1.55,前 后表面鍍增透膜，鏡片口徑為30mm~50mm，鏡片厚度為2mm~15_。
[0047]自由曲面反射鏡2的中心距離屏幕15mm~55mm，光學透鏡3距離自由曲面反射鏡中 心IOmm~20mm，人眼位置4距離光學透鏡3的表面中心的最近距離為6mm~25mm，左右兩套光 學系統可以左右移動距離為5mm~25mm，光學透鏡3可以前后移動的距離為5mm~25mm，光學 透鏡3遠離人眼時焦距最長，適合近視的人使用，隨著其靠近人眼，焦距縮短，適合遠視的人 使用。
【主權項】
1. 一種用于呈現三維場景的折反射式頭戴顯示光學系統，其特征在于：頭盔包括左右 兩組結構相同對稱布置的光學系統，每組光學系統包括顯示屏（1)、自由曲面反射鏡(2)和 光學透鏡(3);自由曲面反射鏡(2)置于光學透鏡(3)的正前方，顯示屏（1)置于光學透鏡(3) 的前側方，顯示屏（1)的法線方向與光學透鏡(3)的法線方向垂直，自由曲面反射鏡(2)的法 線方向分別與顯示屏（1)、光學透鏡(3)呈傾斜角；顯示屏（1)發出的光線被自由曲面反射鏡 (2)反射后發生轉向，再經光學透鏡(3)折射后進入人眼(4)。2. 根據權利要求1所述的一種用于呈現三維場景的折反射式頭戴顯示光學系統，其特 征在于:所述的兩組光學系統的兩個光學透鏡(3)沿人眼方向平行布置，每組光學系統中， 瞳距調節支架(8)后端安裝在自由曲面反射鏡外框(6)中，光學透鏡(3)安裝在屈光度調節 滑塊(7)中，屈光度調節滑塊(7)的外側部連接到自由曲面反射鏡外框(6)內壁的導軌上，屈 光度調節滑塊(7)的內側部連接到瞳距調節支架(8)后端側壁的導軌上，使得屈光度調節滑 塊(7)沿人眼(4)視線方向的刀軌移動;瞳距調節支架(8)前端設有凸緣結構，自由曲面反射 鏡外框(6)前端設有凸緣結構，自由曲面反射鏡（2)的兩端分別卡合連接在瞳距調節支架 (8)前端凸緣和自由曲面反射鏡外框(6)前端凸緣之間，自由曲面反射鏡（2)的反射面位于 內側面；顯示屏（1)固定安裝在瞳距調節支架（8)的側壁且其顯示投射方向垂直于人眼方 向，兩組光學系統的瞳距調節支架(8)前端凸緣端面均連接到左右屏連接導軌(5)沿導軌水 平移動，左右屏連接導軌(5)沿垂直于人眼(4)視線方向。3. 根據權利要求1所述的一種用于呈現三維場景的折反射式頭戴顯示光學系統，其特 征在于:所述兩組光學系統中的顯示屏（1)相背放置且中心法線共線，且與人眼法線垂直。4. 根據權利要求1所述的一種用于呈現三維場景的折反射式頭戴顯示光學系統，其特 征在于:所述每組光學系統中的自由曲面反射鏡(2)斜放于屏幕和光學透鏡(3)之間，自由 曲面反射鏡(2)的法線分別與顯示屏（1)和光學透鏡(3)的法線呈30°~60°夾角。5. 根據權利要求1所述的一種用于呈現三維場景的折反射式頭戴顯示光學系統，其特 征在于：所述的自由曲面反射鏡（2)具有正的光焦度，焦距為50mm~100mm，口徑為50mm~ 70mm，厚度為1mm~2mm。6. 根據權利要求1或5所述的一種用于呈現三維場景的折反射式頭戴顯示光學系統， 其特征在于:所述的光學透鏡(3)表面采用具有正光焦度的面型。7. 根據權利要求1所述的一種用于呈現三維場景的折反射式頭戴顯示光學系統，其特 征在于:所述的自由曲面反射鏡(2)的外部輪廓是圓形、矩形或者不規則形狀。8. 根據權利要求1所述的一種用于呈現三維場景的折反射式頭戴顯示光學系統，其特 征在于:所述的自由曲面反射鏡(2)的鏡面材料為經過拋光的鋁或鋁合金，表面鍍有反射率 尚于95 %的尚反射月旲。9. 根據權利要求1所述的一種用于呈現三維場景的折反射式頭戴顯示光學系統，其特 征在于:所述的光學透鏡(3)材料采用塑料或玻璃，光學透鏡(3)的結構采用是單一透鏡、透 鏡組或膠合透鏡。10. 根據權利要求1所述的一種用于呈現三維場景的折反射式頭戴顯示光學系統，其特 征在于:所述兩組光學系統中的兩個光學透鏡(3)同時或分別沿著人眼方向前后移動，移動 范圍為0~10mm。
【文檔編號】G02B27/01GK205539724SQ201620275169
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月5日
【發明人】黃治, 徐傳曙, 吳震
【申請人】杭州映墨科技有限公司