用于呈現(xiàn)三維場景的折反射式頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種虛擬現(xiàn)實頭盎中的光學(xué)結(jié)構(gòu)，尤其設(shè)及了一種用于呈現(xiàn)Ξ維場景 的折反射式頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，VR)技術(shù)是20世紀(jì)80年代提出的一種利用計算 機(jī)生成的、可交互的、具有沉浸感的視覺虛擬環(huán)境，可W按照需要生成多種虛擬環(huán)境，廣泛 應(yīng)用于城市規(guī)劃，駕駛培訓(xùn)，室內(nèi)設(shè)計等領(lǐng)域。近年來隨著計算機(jī)計算能力與各類型傳感器 的發(fā)展，各類型的虛擬現(xiàn)實頭盎已出現(xiàn)于市場上，其基本由顯示屏或手機(jī)W及一對目鏡組 成，人眼通過目鏡可W看到屏幕上放大的圖像，傳感器感應(yīng)人頭部的變化調(diào)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(xiàn)實頭盎的光學(xué)結(jié)構(gòu)基本都是人眼，鏡片和屏幕Ξ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(shè)備的體積，必須 采用更復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供了一種用于呈現(xiàn)Ξ維場 景的折反射式頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)，用于虛擬現(xiàn)實場景的呈現(xiàn)。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0006] 所述頭盎包括左右兩組結(jié)構(gòu)相同對稱布置的光學(xué)系統(tǒng)，每組光學(xué)系統(tǒng)包括顯示 屏、自由曲面反射鏡和光學(xué)透鏡；自由曲面反射鏡置于光學(xué)透鏡的正前方，顯示屏置于光學(xué) 透鏡的前側(cè)方，顯示屏的法線方向與光學(xué)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(xué)透鏡呈傾斜角。顯示屏發(fā)出的光線被自由曲面反射鏡反射后發(fā)生轉(zhuǎn) 向，再經(jīng)光學(xué)透鏡折射后進(jìn)入人眼，顯示屏發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡反射后再經(jīng)光學(xué)透鏡透 射可被雙眼接收，使用者能夠看到經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)放大的顯示屏上的圖像。
[0007] 所述的兩組光學(xué)系統(tǒng)的兩個光學(xué)透鏡沿人眼方向平行布置，每組光學(xué)系統(tǒng)中，瞳 距調(diào)節(jié)支架后端安裝在自由曲面反射鏡外框中，光學(xué)透鏡安裝在屈光度調(diào)節(jié)滑塊中，屈光 度調(diào)節(jié)滑塊的外側(cè)部連接到自由曲面反射鏡外框內(nèi)壁的導(dǎo)軌上，屈光度調(diào)節(jié)滑塊的內(nèi)側(cè)部 連接到瞳距調(diào)節(jié)支架后端側(cè)壁的導(dǎo)軌上，使得屈光度調(diào)節(jié)滑塊沿人眼視線方向的刀軌移 動;瞳距調(diào)節(jié)支架前端設(shè)有凸緣結(jié)構(gòu)，自由曲面反射鏡外框前端設(shè)有凸緣結(jié)構(gòu)，自由曲面反 射鏡的兩端分別卡合連接在瞳距調(diào)節(jié)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(nèi)側(cè)面;顯示屏固定安裝在瞳距調(diào)節(jié)支架的側(cè)壁且其顯示投 射方向垂直于人眼方向，兩組光學(xué)系統(tǒng)的瞳距調(diào)節(jié)支架前端凸緣端面均連接到左右屏連接 導(dǎo)軌沿導(dǎo)軌水平移動，左右屏連接導(dǎo)軌沿垂直于人眼視線方向。
[000引所述兩組光學(xué)系統(tǒng)中的顯示屏相背放置且中屯、法線共線，且與人眼法線垂直。
[0009]所述每組光學(xué)系統(tǒng)中的自由曲面反射鏡斜放于屏幕和光學(xué)鏡片之間，自由曲面反 射鏡的法線分別與顯示屏和光學(xué)透鏡的法線呈30°~60°夾角，使得從顯示屏發(fā)出的光線經(jīng) 過自由曲面反射鏡反射后折轉(zhuǎn)約90°后近垂直于光學(xué)透鏡進(jìn)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(xué)透鏡的法線呈30°~60°的夾角。
[0010] 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(xué)透鏡表面采用具有正光焦度的面型，光學(xué)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(guī)則形狀。
[0013] 所述的自由曲面反射鏡的鏡面材料為經(jīng)過拋光的侶或侶合金，表面鍛有反射率高 于95%的高反射膜。
[0014] 所述的光學(xué)透鏡材料采用塑料或玻璃，光學(xué)透鏡的結(jié)構(gòu)采用是單一透鏡、透鏡組 或膠合透鏡。
[0015] 所述兩組光學(xué)系統(tǒng)中的兩個光學(xué)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(xué)系統(tǒng)靠近或遠(yuǎn)離的調(diào)節(jié)范圍為0~15mm。
[0017] 所述顯示屏為兩塊完全相同的LCD或化抓顯示屏，所述光學(xué)透鏡為兩對相同的軸 對稱的透射光學(xué)元件，可W是單透鏡，也可W是多鏡片組合，或膠合透鏡。
[001引本發(fā)明的有益效果是：
[0019] 1.本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)將原本單鏡片的光焦度分散到兩個光學(xué)元件上，在保持原有沉 浸感的前提下，避免了出現(xiàn)制造難度特別大的中屯、邊緣厚度比很大的鏡片，提高了鏡片的 良品率。
[0020] 2.本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)光路中的自由曲面反射鏡不會產(chǎn)生色差，降低了系統(tǒng)總色散， 且還分擔(dān)了一部分光焦度。反射鏡可W設(shè)計的很薄，降低了系統(tǒng)的總質(zhì)量，并且采用壓模的 方式生產(chǎn)比光學(xué)鏡片的生產(chǎn)更快速。
[0021] 3.本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的有更多的優(yōu)化變量，可獲得更好的圖像質(zhì)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是本發(fā)明頭盎的外觀示意圖。
[0023] 圖2是本發(fā)明實施例中俯視剖面光學(xué)結(jié)構(gòu)圖。
[0024] 圖3是本發(fā)明任意一側(cè)光路圖。
[0025] 圖4是本發(fā)明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(xué)透鏡3、人眼4、左右屏連接導(dǎo)軌5、自由曲面 反射鏡外框6、屈光度調(diào)節(jié)滑塊7、瞳距調(diào)節(jié)支架8。
【具體實施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0028] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明的頭盎包括左右兩組結(jié)構(gòu)相同對稱布置的光學(xué)系統(tǒng)，每 組光學(xué)系統(tǒng)包括顯示屏1、自由曲面反射鏡2和光學(xué)透鏡3;自由曲面反射鏡2置于光學(xué)透鏡3 的正前方，顯示屏1置于光學(xué)透鏡3的前側(cè)方，顯示屏1的法線方向與光學(xué)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(xué)透鏡3呈傾斜角。
[0029] 如圖2所示，兩組光學(xué)系統(tǒng)的兩個光學(xué)透鏡3沿人眼方向平行布置，每組光學(xué)系統(tǒng) 中，瞳距調(diào)節(jié)支架8后端安裝在自由曲面反射鏡外框6中，光學(xué)透鏡3安裝在屈光度調(diào)節(jié)滑塊 7中，屈光度調(diào)節(jié)滑塊7的外側(cè)部連接到自由曲面反射鏡外框6內(nèi)壁的導(dǎo)軌上，屈光度調(diào)節(jié)滑 塊7的內(nèi)側(cè)部連接到瞳距調(diào)節(jié)支架8后端側(cè)壁的導(dǎo)軌上，使得屈光度調(diào)節(jié)滑塊7沿人眼4視線 方向的刀軌移動;瞳距調(diào)節(jié)支架8前端設(shè)有凸緣結(jié)構(gòu)，自由曲面反射鏡外框6前端設(shè)有凸緣 結(jié)構(gòu)，自由曲面反射鏡2的兩端分別卡合連接在瞳距調(diào)節(jié)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(nèi)側(cè)面;顯示屏1固定安裝在瞳距調(diào)節(jié) 支架8的側(cè)壁且其顯示投射方向垂直于人眼方向，兩組光學(xué)系統(tǒng)的瞳距調(diào)節(jié)支架8前端凸緣 端面均連接到左右屏連接導(dǎo)軌5沿導(dǎo)軌水平移動，左右屏連接導(dǎo)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W連接瞳距調(diào)節(jié)支架8與自由曲面 反射鏡外框6。
[0031] 兩組光學(xué)系統(tǒng)中的顯示屏1相背放置且中屯、法線共線，且與人眼法線垂直。
[0032] 每組光學(xué)系統(tǒng)中的自由曲面反射鏡2斜放于屏幕和光學(xué)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(xué)透鏡3的法線呈30°~60°夾角。
[0033] 如圖3所示，為本發(fā)明一側(cè)的光路結(jié)構(gòu)，光線從顯示屏1上發(fā)出之后，經(jīng)過自由曲面 反射鏡2反射并發(fā)生匯聚后，進(jìn)入光學(xué)透鏡3并發(fā)生折射，最后從人眼位置4進(jìn)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(guī)則形狀。 自由曲面反射鏡2的鏡面材料為經(jīng)過拋光的侶或侶合金，表面鍛有反射率高于95%的高反 射膜。
[0035] 光學(xué)透鏡3為光焦度為正的軸對稱光學(xué)零件，材料可采用光學(xué)玻璃也可W是光學(xué) 塑料，表面可鍛有增透膜，硬化膜，防水膜等功能性膜層，其結(jié)構(gòu)可W是單鏡片或是膠合透 鏡，也可W是多鏡片組，表面面型可W是球面、非球面或是菲尼爾組合，也可W是幾種面型 的組合。
[0036] 兩組光學(xué)系統(tǒng)靠近或遠(yuǎn)離的調(diào)節(jié)范圍為0~15mm。左右兩側(cè)的兩組光學(xué)系統(tǒng)可W 彼此分開或靠近，用W調(diào)整瞳距，使不同的瞳距的人都可W舒適的使用本虛擬現(xiàn)實頭盎。
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