CN106094211A - 一种头戴式显示设备 - Google Patents

Abstract

一种头戴式显示设备，包括主体框架，及设于主体框架上的光学系统，所述主体框架上设置有设备固定机构，以在光学系统外侧放置移动终端；所述光学系统包括两个光学镜片组，其中每个光学镜片组分别包括菲涅尔透镜和正透镜，所述菲涅尔透镜与正透镜相对设置，且所述菲涅尔透镜在背离正透镜的一侧端面设置为平面，另一侧端面设置为径向对称的菲涅尔面；所述正透镜在背离菲涅尔透镜的一侧端面设置为平面，另一侧端面设置为非球面。本发明解决了在保证头戴设备体积足够小、重量足够轻的前提下，如何实现头戴式虚拟现实显示系统大视场，同时兼顾成像质量的技术问题。

Description

一种头戴式显示设备

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域，具体涉及一种头戴式显示设备。

背景技术

近年来虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术作为新出现的高新技术正越来越受到人们的关注，虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供给使用者关于视觉、听觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、无限制地观察三维空间内的事物。该技术在手机上的应用将成为下一轮研究的热点。

随着3D显示技术的发展，拥有立体视觉功能的头戴式显示器正逐渐地进入人们的工作和生活中。头戴式显示器是一种被应用与各个领域的大画面便携式高沉浸感立体图像显示设备。使用头戴式辅助设备配以智能手机，就组成了便携式的头戴式显示器(Head-Mounted Display,HMD)。这就使得头戴式显示器实现了“便携式”和“小型化”，用户就能够随时随地体验虚拟现实设备带来的震撼效果。

目前HMD目视光学系统一般采用传统透镜，如球面透镜、非球面透镜或自由曲面光学透镜。该系统受光学加工技术及光学材料的限制，显示设备中光学系统的口径通常会做得比较小(若口径做大光学系统的重量和体积均会大幅增加)，而使用者通过光学系统所能观察到的视野被其口径限制，观察视野相对人眼自然状态下的视野显得很小，故此视野受限的图像显示系统给人眼带来的视觉冲击及沉浸感将会受到很大的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于解决上述技术问题的头戴式显示设备。

本发明所提供的头戴式显示设备，包括主体框架，及设于主体框架上的光学系统，所述主体框架上设置有设备固定机构，以在光学系统外侧放置移动终端；所述光学系统包括两个光学镜片组，其中每个光学镜片组分别包括菲涅尔透镜和正透镜，所述菲涅尔透镜与正透镜相对设置，且所述菲涅尔透镜在背离正透镜的一侧端面设置为平面，另一侧端面设置为径向对称的菲涅尔面，所述正透镜在背离菲涅尔透镜的一侧端面设置为平面，另一侧端面设置为非球面。

作为本发明的优选方案，所述正透镜为平凸非球面透镜。

作为本发明的优选方案，所述设备固定机构包括相对设置的两块夹紧片，以垂直方式设于两块夹紧片上的螺杆，以及用于调节两块夹紧片间距的旋钮；其中所述螺杆分别与两块夹紧片以螺纹方式连接，且两者的螺纹连接方向相反，所述旋钮与螺杆固定连接。

作为本发明的优选方案，所述螺杆设置在两块夹紧片的中部。

作为本发明的优选方案，所述主体框架上设置有一挡光条，所述挡光条设置在两个光学镜片组之间的位置，以对置于设备固定机构上移动终端的显示屏进行分隔。

作为本发明的优选方案，所述头戴式显示设备还包括瞳距调节机构，所述的两个光学镜片组分别嵌装在瞳距调节机构上。

作为本发明的优选方案，所述瞳距调节机构包括相对设置的两个镜片框架，及用于调节两个镜片框架间距的调节齿轮，其中两个所述镜片框架上分别设置有齿条，且每个镜片框架上的齿条分别与调节齿轮进行啮合。

作为本发明的优选方案，所述主体框架上设置有卡箍，且所述卡箍的两端分别插接在主体框架上并与主体框架固定连接。

作为本发明的优选方案，：所述卡箍由柔性材料制备而成。

作为本发明的优选方案，所述主体框架上设置有档条，所述档条设置为折叠状结构，并相对于主体框架向下后弯折设置。

由于上述技术方案的应用，本发明具有以下有益效果：

本发明的头戴式显示设备，通过将菲涅尔透镜与正透镜组合使用，可使该头戴式显示设备的整个光学系统轻薄、重量轻的同时，其在视场大，成像质量好，进而保证了该头戴式显示设备在体积足够小、重量足够轻的前提下，实现了头戴式虚拟现实显示系统的大视场，同时兼顾成像质量。同时，由于该菲涅尔透镜与正透镜的两侧外端面均设置为平面，这样就便于对菲涅尔透镜与正透镜的生产制备，以及便于人们在后续使用过程中的清洁，进一步满足人们的使用需求。

附图说明

图1是本发明较佳实施例所提供的头戴式显示设备的结构示意图。

图2是本发明中光学镜片组的结构示意图。

图3是本发明中设备固定机构的结构示意图。

图4是本发明中瞳距调节机构的结构示意图。

图5为本发明中平凸透镜的成像示意图。

图6为本发明中菲涅尔透镜的成像示意图。

图7为本发明中平凸透镜与菲涅尔透镜组合使用时的成像示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1-图7，本发明较佳实施例所提供的头戴式显示设备100，其具体与移动终端(比如手机)配合使用，该头戴式显示设备100包括主体框架10，设于主体框架10上的光学系统，其中本实施例的光学系统包括两个光学镜片组20，且每个光学镜片组20分别包括菲涅尔透镜21和正透镜22。其中所述正透镜22为普通的透镜，在实施例中优选为平凸非球面透镜。

可以理解，所述菲涅尔透镜在光线成像时，由于其菲涅尔面的表面是呈锯齿状的，其光线难以聚焦，球差以及轴外像差难以矫正，使得在单用菲涅尔透镜成像时，其视场大，但是成像质量差；而单用非球面透镜时，其视场角的增大的同时需要增加该透镜的厚度，于此同时，该透镜的光线的透过率就会下降，相应地，对该透镜的成型制备的模具加工精度要求高。为此，本实施例的光学镜片组20具体是将菲涅尔透镜21与正透镜22组合使用。

具体地，所述菲涅尔透镜21与正透镜22相对设置，且所述菲涅尔透镜21在背离正透镜22的一侧端面设置为平面，另一侧端面设置为径向对称的菲涅尔面，所述正透镜22在背离菲涅尔透镜21的一侧端面设置为平面，另一侧端面设置为非球面。其中所述菲涅尔透镜21与正透镜22之间可以胶合连接，也可以非胶合设置。本实施例将该光学镜片组20装配至主体框架10上使用时，率先朝向人眼的菲涅尔透镜21是用于控制光学系统的视场角，而朝向移动终端上显示屏的正透镜22是用于控制光学系统的主光线角度，需要说明的是，移动终端显示屏的光线首先透过正透镜22，经过主光学角度的调整，然后射入菲涅尔透镜21经过视场角调整后，最后射入人眼。通过将菲涅尔透镜21与透镜22组合使用，可使该头戴式显示设备100的整个光学系统轻薄；同时具有视场大，成像质量好的特点。进而保证了该头戴式显示设备100体积小、重量轻，并且视场大，成像质量好。同时，由于该菲涅尔透镜21与正透镜22的两侧外端面均设置为平面，这样就便于对菲涅尔透镜21与正透镜22的生产制备，以及便于人们在后续使用过程中的清洁，进一步满足人们的使用需求。

本实施例的菲涅尔透镜21与正透镜22组合使用时，其符合如下公式：

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_4{r}^4+a_6{r}^6+a_8{r}^8+a_{10}{r}^{10}+a_{12}{r}^{12}+a_{14}{r}^{14}$

其中：

Z，为沿光轴方向在r位置以表面定点作参考距光轴的位移值；

c，为曲率半径；

r，为所述透镜高度；

k，为圆锥系数；

a₄,a₆,a₈,a₁₀,a₁₂,a₁₄,a₁₆,分别为各项次的非球面系数。

两片透镜若采用不同材料便可校正色差，而单片透镜的方案并不能校正色差。在大视场成像时明显优于单透镜的方案。使用菲涅尔透镜21与正透镜22组合的方案降低了透镜厚度，增大了光线透过率。增加的设计的自由度，像差校正更好，而且可校正光学系统色差，镜头成像质量优于单透镜的方案。

一方面，为了适于不同规格尺寸大小的移动终端，本实施例的头戴式显示设备100在主体框架10上具体设置一设备固定机构30，以夹持移动终端在光学系统的外侧。其中，所述设备固定机构30包括相对设置的两块夹紧片31，以垂直方式设于两块夹紧片31上的螺杆32，以及用于调节两块夹紧片32间距的旋钮33；所述螺杆32分别与两块夹紧片31以螺纹方式连接，且该螺杆32与两块夹紧片31的螺纹连接方向相反，而所述旋钮33是固定在螺杆32上的，在本实施例中，所述螺杆32具体是设置在两块夹紧片31的中部。这样在用旋钮33调节两块夹紧片31的间距时，往一个方向转动螺杆32时，由于该螺杆32与两块夹紧片31不同的螺纹连接方向之下，可以驱动两块夹紧片31同步向中心夹紧或者同步松开，这样就保证了该设备固定机构30在调节间距固定移动终端时，其移动终端的中轴线与整个光学系统始终对齐，且不发生上下位置的移动。

在本实施例中，所述主体框架10上设置有一挡光条11，所述挡光条11设置在两个光学镜片组20之间的位置，以对置于设备固定机构20上移动终端的显示屏进行分隔，使得使用者的左、右眼通过光学系统只能对应接收到移动终端的显示屏其中一侧的画面。

另一方面，为了适用不同使用者其瞳孔间距的不同，本实施例的头戴式显示设备100还包括瞳距调节机构40，可以理解，所述的两个光学镜片20组分别嵌装在瞳距调节机构40上的。具体地，所述瞳距调节机构40包括相对设置的两个镜片框架41，及用于调节两个镜片框架41间距的调节齿轮42，其中两个所述镜片框架41上分别设置有齿条43，且每个镜片框架41上的齿条43分别与调节齿轮42进行啮合。这样该瞳距调节机构40在工作时，可以通过驱动调节齿轮42，在齿条43的传动下，可以驱动镜片框架41进行同步相向或者相反移动，这样就实现了对分别嵌装在镜片框架41上的两个光学镜片20的间距进行调节，亦即实现了该头戴式显示设备100根据使用者不同的瞳孔间距进行适应性调节的作用。

可以理解，本实施例的主体框架10上设置有卡箍12，且所述卡箍12的两端分别插接在主体框架11上并与主体框架11固定连接，使得该头戴式显示设备100在使用时，使用者可以通过该卡箍12将其穿戴到头部，为了提供使用者的舒适度，本实施例的卡箍具体是由柔性材料制备而成的。

作为本发明的优选方案，所述主体框架10上还设置有档条13，所述档条13设置为折叠状结构，并相对于主体框架10向下后弯折设置，其当使用者将该头戴式显示设备100穿戴至头上时，其档条13抵靠在头上，以提高头戴式显示设备100与使用者头部固定的紧固度。

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

Claims (10)

1.一种头戴式显示设备，其特征在于：包括主体框架，及设于主体框架上的光学系统，所述主体框架上设置有设备固定机构，以在光学系统外侧放置移动终端；所述光学系统包括两个光学镜片组，其中每个光学镜片组分别包括菲涅尔透镜和正透镜，所述菲涅尔透镜与正透镜相对设置，且所述菲涅尔透镜在背离正透镜的一侧端面设置为平面，另一侧端面设置为径向对称的菲涅尔面，所述正透镜在背离菲涅尔透镜的一侧端面设置为平面，另一侧端面设置为非球面。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于：所述正透镜为平凸非球面透镜。

3.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于：所述设备固定机构包括相对设置的两块夹紧片，以垂直方式设于两块夹紧片上的螺杆，以及用于调节两块夹紧片间距的旋钮；其中所述螺杆分别与两块夹紧片以螺纹方式连接，且两者的螺纹连接方向相反，所述旋钮与螺杆固定连接。

4.根据权利要求3所述的头戴式显示设备，其特征在于：所述螺杆设置在两块夹紧片的中部。

5.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于：所述主体框架上设置有一挡光条，所述挡光条设置在两个光学镜片组之间的位置，以对置于设备固定机构上移动终端的显示屏进行分隔。

6.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于：所述头戴式显示设备还包括瞳距调节机构，所述的两个光学镜片组分别嵌装在瞳距调节机构上。

7.根据权利要求6所述的头戴式显示设备，其特征在于：所述瞳距调节机构包括相对设置的两个镜片框架，及用于调节两个镜片框架间距的调节齿轮，其中两个所述镜片框架上分别设置有齿条，且每个镜片框架上的齿条分别与调节齿轮进行啮合。

8.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于：所述主体框架上设置有卡箍，且所述卡箍的两端分别插接在主体框架上并与主体框架固定连接。

9.根据权利要求8所述的头戴式显示设备，其特征在于：所述卡箍由柔性材料制备而成。

10.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于：所述主体框架上设置有档条，所述档条设置为折叠状结构，并相对于主体框架向下后弯折设置。