头戴显示装置及其目镜光学系统的加工方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及头戴显示装置及其目镜光学系统的加工方法，包括对应设置的目镜光学系统和显示屏；显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例范围为：1:1-16:3，目镜光学系统包括一个或多个透镜；目镜光学系统中至少一个透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边，且透镜宽边切边后的保留尺寸最小值与透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.22-0.66，透镜的长边为进行过切边处理后的长边，透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.683-0.992。本发明专利技术在保证目镜光学系统在满足大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等光学性能的情况下，使得头戴显示装置产品佩带更加舒适。

Head mounted display device and method for processing optical system of eyepiece

The present invention relates to a head mounted display device and processing method of the eyepiece optical system, including the eyepiece optical system and display the corresponding set of screen display screen; effective length corresponding to the width and ratio in the range of 1:1-16:3, the eyepiece optical system includes one or more lens; at least one broadside lens in the optical system for the broadside of after trimming after treatment, and the lens size minimum edge cut wide retained after the lens and the maximum effective optical aperture ratio range is 0.22-0.66, the long edge of the lens is too long edge trimming the long edge of the lens size minimum cut retained after edge with the largest lens the effective optical aperture ratio range: 0.683-0.992. The invention ensures the eyepiece optical system to meet the large angle of view, high image resolution, optical properties of low distortion, small field curvature, small size and other circumstances, the head mounted display products wear more comfortable.

【技术实现步骤摘要】
头戴显示装置及其目镜光学系统的加工方法
本专利技术涉及光学
，更具体地说，涉及一种头戴显示装置及其目镜光学系统的加工方法。
技术介绍
随着电子器件不断向超微型化发展，以及新的计算机、微电子、光电器件和通信理论和技术的发展，可穿戴计算这种基于“以人为本”“人机合一”的新型模式已经成为可能。在军事、工业、医疗、教育、消费等领域不断涌现应用。在一个典型的可穿戴计算系统架构中，头戴式显示装置是关键的组成部分。头戴显示装置通过光学技术，将微型图像显示器(例如透射式或反射式液晶显示屏，有机电致发光器件，DMD器件)发出的视频图像光引导到使用者的瞳孔，在使用者的近目范围实现虚拟、放大图像，为使用者提供直观、可视的图像、视频、文字信息。目镜光学系统是头戴显示装置的核心，实现将微型图像显示在人眼前形成虚拟放大图像的功能。头戴显示装置向着体积紧凑，重量轻，便于头戴，减轻负载等方向发展。同时，大视场角和视觉舒适体验也逐渐成为衡量头戴显示装置优劣的关键因素，大视场角决定了高临场感的视觉体验效果，高像质、低畸变决定了视觉体验的舒适度。满足这些要求，需要目镜光学系统尽可能地实现大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等指标，同时满足上述光学性能对系统的设计和像差优化是很大挑战。在加工目镜光学系统时，一般需要根据显示屏尺寸的大小对目镜光学系统进行切边加工，仍能保证在满足上述光学性能的情况下，尽量减轻目镜光学系统的重量和体积，使得头戴显示装置产品佩带更加舒适。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种光学性能好、体积紧凑、重量轻、可加工性好的带宽边切边目镜光学系统的头戴显示装置。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种头戴显示装置，包括对应设置的目镜光学系统和显示屏；所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例范围为：1:1-16:3，所述目镜光学系统至少包括一片或多片透镜；其中，至少有一片所述透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边，且所述透镜宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.22-0.66；所述透镜的长边为进行过切边处理后的长边，所述透镜的正视图为矩形；所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.683-0.992。本专利技术所述的头戴显示装置，其中，所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:16，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.66；所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.683。本专利技术所述的头戴显示装置，其中，所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:12，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.57；所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.778。本专利技术所述的头戴显示装置，其中，所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:10，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.51；所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.832。本专利技术所述的头戴显示装置，其中，所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:9，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.47；所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.860。本专利技术所述的头戴显示装置，其中，所述透镜的正视图是由矩形切去四角后形成的多边形；所述透镜的正视图中四角被切去的部分均为三角形；所述三角形与所述透镜的宽边对应边z1的边长记为F，所述三角形与所述透镜的长边对应的边记为z2，所述三角形的第三条边记为z3，z1到z3对应的角为∠α，所述显示屏有效显示画面对角线到所述显示屏有效画面长边的角为∠β；其中，满足下述关系式(1)和(2)：∠α＝∠β＝atan(b/a)(1)；F/D≤0.26(2)；上述关系式(1)和(2)中，a为所述显示屏有效显示画面对应的长度，b为显示屏有效显示画面对应的宽度，D为所述透镜的宽边切边后的保留尺寸。本专利技术所述的头戴显示装置，其中，所述目镜光学系统包括两片透镜，分别为：第一透镜和第二透镜；其中，所述第一透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边；所述第二透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边，或者同时所述第二透镜的长边为进行切边处理后的长边。本专利技术所述的头戴显示装置，其中，所述目镜光学系统包括三片透镜，分别为：第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，第一透镜、第二透镜和第三透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边，或者同时第一透镜、第二透镜和第三透镜的长边为进行切边处理后的长边；且第二透镜、第三透镜长边切边后的保留尺寸最小值与第二透镜、第三透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.80-1.02或0.90-1.10，第一透镜长边切边后的保留尺寸最小值与第二透镜、第三透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.683-0.992。本专利技术所述的头戴显示装置，其中，所述目镜光学系统包括四片透镜，分别为：第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜；其中，所述第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜的宽边均为进行过切边处理后的宽边。本专利技术所述的头戴显示装置，其中，所述头戴显示装置为单眼头戴显示装置，包括：一个目镜光学系统；和，一个与所述目镜光学系统对应的显示屏。本专利技术所述的头戴显示装置，其中，所述头戴显示装置为双眼头戴显示装置，包括：一个左眼目镜光学系统；和，一个与所述左眼目镜光学系统对应的左眼显示屏；一个右眼目镜光学系统；和，一个与所述右眼目镜光学系统对应的右眼显示屏。本专利技术所述的头戴显示装置，其中，所述目镜光学系统包括：沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中第一透镜靠近人眼侧，第三透镜靠近像源侧，像源光线先后通过第三透镜、第二透镜、第一透镜被人眼观看；所述第二透镜靠近像源侧的表面凸向像源方向；所述第三透镜的两个光学表面曲率方向相同，均凹向像源方向。本专利技术所述的头戴显示装置，其中，所述目镜光学系统包括：包括从人眼观察侧到显示屏侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，且所述第一透镜组的有效焦距为负值，所述第二透镜组的有效焦距为正值；所述第一透镜组由两片透镜构成，分别是靠近人眼侧的第四透镜和远离人眼侧的第五透镜，且所述第四透镜是双凸形状的正透镜，所述第四透镜是负透镜；所述第五透镜靠近人眼侧的光学表面凹向人眼侧，曲率半径为负值；所述第二透镜组由一片或多片透镜构成，其中所述第二镜片组至少包括与所述第一透镜组近邻的第六透镜，以及包括第七透镜，所述第六透镜为正透镜，所述第七透镜位于所述第六透镜与显示屏侧之间。本专利技术所述的头戴显示装置，其中，所述目镜光学系统包括：包括从人眼观察侧到显示屏侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，且所述第一透镜组的有效焦距为负值，所述第二透镜组的有效焦距为正值；所述第一透镜组由两片透镜构成，分别是靠近人眼侧的第八透镜和远离人眼侧的第九透镜，且所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种头戴显示装置，包括对应设置的目镜光学系统和显示屏；所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例范围为：1:1‑16:3，所述目镜光学系统至少包括一片或多片透镜；其特征在于，至少有一片所述透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边，且所述透镜宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.22‑0.66；所述透镜的长边为进行过切边处理后的长边，所述透镜的正视图为矩形；所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.683‑0.992。

【技术特征摘要】
1.一种头戴显示装置，包括对应设置的目镜光学系统和显示屏；所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例范围为：1:1-16:3，所述目镜光学系统至少包括一片或多片透镜；其特征在于，至少有一片所述透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边，且所述透镜宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.22-0.66；所述透镜的长边为进行过切边处理后的长边，所述透镜的正视图为矩形；所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：0.683-0.992。2.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:16，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.66；所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.683。3.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:12，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.57；所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.778。4.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:10，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.51；所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.832。5.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述显示屏有效显示画面对应的长度与宽度比例为16:9，所述透镜的宽边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.47；所述透镜的长边切边后的保留尺寸最小值与所述透镜的最大有效光学孔径比值范围为：大于0.860。6.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述透镜的正视图是由矩形切去四角后形成的多边形；所述透镜的正视图中四角被切去的部分均为三角形；所述三角形与所述透镜的宽边对应边z1的边长记为F，所述三角形与所述透镜的长边对应的边记为z2，所述三角形的第三条边记为z3，z1到z3对应的角为∠α，所述显示屏有效显示画面对角线到所述显示屏有效画面长边的角为∠β；其中，满足下述关系式(1)和(2)：∠α＝∠β＝atan(b/a)(1)；F/D≤0.26(2)；上述关系式(1)和(2)中，a为所述显示屏有效显示画面对应的长度，b为显示屏有效显示画面对应的宽度，D为所述透镜的宽边切边后的保留尺寸。7.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述目镜光学系统包括两片透镜，分别为：第一透镜和第二透镜；其中，所述第一透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边；所述第二透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边，或者同时所述第二透镜的长边为进行切边处理后的长边。8.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述目镜光学系统包括三片透镜，分别为：第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，第一透镜、第二透镜和第三透镜的宽边为进行过切边处理后的宽边，或者同时第一透镜、第二透镜和第三透镜的长边为进行切边处理后的长边。9.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述目镜光学系统包括四片透镜，分别为：第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜；其中，所述第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜的宽边均为进行过切边处理后的宽边。10.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述头戴显示装置为单眼头戴显示装置，包括：一个目镜光学系统；和，一个与所述目镜光学系统对应的显示屏。11.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹鸿鹏，彭华军，
申请(专利权)人：深圳纳德光学有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44