图像重现装置及头戴显示器的制作方法

本发明涉及虚拟显示设备技术领域，特别涉及一种图像重现装置及头戴显示器。

背景技术：

虚拟现实技术是20世纪末兴起的一门崭新的综合性信息技术，是一种先进的、数字化的人机接口技术，它的实时三维空间表现能力、自然的人机交互式操作环境以及给人带来的身临其境感受，将从根本上改变人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，为人机交互技术开创了一个全新的研究领域。其中，头戴显示器通过光学系统将显示器显示的图像投影在人眼产生一个具有沉浸感、充满视野的放大虚像，给用户提供一种全新的视觉体验，并通过控制软件实现人机交互，该系统已经广泛应用在娱乐、医疗、工程、培训等领域。

目前，常见的一种头戴显示器是通过两个反射镜实现光路折转、两个成像镜组将两个分离图像成像供人眼观察，如图1所示。该系统因为四片式结构镜组较强的像差矫正能力，可以得到较好的图像清晰度。但限于人眼12瞳距和镜片口径的限制，其目视视场角小于25度，沉浸感较低。两个45度反射镜14增加了装调难度，为适应不同近视/远视程度人群视度补偿，镜组镜片13或者显示屏幕15a、15b需要在光路轴向移动，两个显示器需要两组移动机构。在消费级产品中，复杂的镜组设计增加了镜组装调难度，提高了产品成本。

另一种常见的头戴显示器是通过两组镜片来观察显示屏幕左右图案，并采用两组不同材料矫正镜组的色差像差，然后通过镜片的轴向移动改变镜组的屈光度达到视度补偿的目的。如图2所示，这种光学设计结构的第二个镜片口径大于第一片，限制于人眼瞳距和观察视角的限制，这种结构的视角通常小于50度，较长的焦距也拉大了轴向视度补偿所需的移动距离。此外两片式结构和附带的装调组件增加了头戴显示器的重量。

本发明的发明人发现，在头戴显示器中，高的图像清晰度、小的畸变有利于人眼舒适度的提高并降低眩晕感。另外，为了适应不同近视/远视人群的需要，头戴显示器还需要进行视度补偿，而进行视度补偿对系统的光学结构、调整策略增加了设计难度，延长了头戴显示器的长度，加大了系统的重量，降低了佩戴的舒适度。此外，采用多片镜片的设计方式不利于设计大的FOV(Field of View，视场)镜头。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种图像重现装置，解决现有技术中头戴显示器镜头结构复杂，系统边缘成像不清晰，生产和装配成本高的问题，使得装配结构和工艺简单，消除光学系统色差，提高了系统边缘化成像清晰度，有利于大规模生产。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种图像重现装置，包括：壳体、用于安装显示屏的支架以及两片目镜；其中，所述两片目镜中的任意一片目镜为具有衍射面的单片式目镜；所述壳体内部构成一腔体；所述支架位于所述腔体的前部；所述支架具有容纳显示屏的容纳位置；所述两片目镜并列位于所述腔体的后部，所述两片目镜中的一片目镜对应用户的左眼，所述两片目镜中的另一片目镜对应用户的右眼。

本发明的实施方式还提供了一种头戴显示器，包括：显示屏以及图像重现装置；所述显示屏安装在所述支架上。

本发明的实施方式相对于现有技术而言，通过采用具有衍射面的单片目镜，解决了现有技术中头戴显示器镜头结构复杂，系统边缘成像不清晰，生产和装配成本高的问题。

另外，所述两片目镜中的任意一片目镜具有朝向容纳位置的非球面和朝向用户眼睛的非球面；其中，所述朝向容纳位置的非球面为偶次二元衍射非球面；所述朝向用户眼睛的非球面为偶次非球面。通过提供一种非球面设计的目镜，有效消除了光学的色差，提高了视觉沉浸感和清晰度。

另外，所述两片目镜中的任意一片目镜的焦距为35毫米～42毫米。通过提供一个短焦距范围，使目镜可以缩短视度补偿的调节距离，从而压缩了图像重现装置的厚度。

另外，所述图像重现装置还包括视度调节机构；所述视度调节机构固定连接至所述壳体；在所述视度调节机构转动时，带动所述支架滑动，实现所述显示屏与用户眼睛之间距离的调节。通过提供一种视度调节机构，可以实现不同近视/远视人群的视度补偿。

另外，所述图像重现装置还包括瞳距调节机构；所述瞳距调节机构固定连接至所述壳体；在所述瞳距调节机构转动时，带动至少一片目镜滑动，实现所述两片目镜的中心距调节。通过提供一种瞳距调节机构，提高了头戴显示器的适用人群范围。

附图说明

图1是根据现有技术的一种头戴显示器的示意图；

图2是根据现有技术的另一种头戴显示器的示意图；

图3是本发明第一实施方式提供的图像重现装置的结构示意图；

图4是本发明第二实施方式提供的图像重现装置的衍射非球面目镜成像原理光路图；

图5是发明第三实施方式提供的图像重现装置的视度调节机构的结构示意图；

图6是本发明第四实施方式提供的图像重现装置的瞳距调节机构的结构示意图；

图7是发明第五实施方式提供的头戴显示器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种图像重现装置，具体结构如图3所示。

图像重现装置包括壳体1、目镜2a、目镜2b、支架3。壳体1内部构成一腔体，用于安装目镜2a、2b和支架3。目镜2a、2b并列位于壳体1内部腔体的后部，两片目镜中的任意一片目镜为具有衍射面的单片式目镜。两片目镜中的一片目镜对应用户的左眼，所述两片目镜中的另一片目镜对应用户的右眼。由于衍射面具有消除光学系统色差的作用，因此本实施方式中的目镜通过采用具有衍射面的单片式目镜，有效提高了系统边缘成像清晰度。

支架3位于壳体1内部腔体的前部，具有容纳显示屏的容纳位置。具体的说，当设置于支架3上的显示屏有图像显示时，显示屏上的图像，经过可以进行光学衍射的目镜2a或目镜2b处理，使得显示屏边缘上的图像可以通过目镜2a和目镜2b清晰的传递给分别的对应的用户左眼和户右眼。

本实施方式相对于现有技术而言，通过采用具有衍射面的单片式目镜，有效消除了光学系统色差，提高了系统边缘成像清晰度，使得用户看到的图像可以更加清晰逼真。

本发明的第二实施方式涉及一种图像重现装置。第二实施方式在第一实施方式基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在第二实施方式中，两片目镜中的任意一片目镜具有朝向容纳位置的非球面和朝向用户眼睛的非球面；其中，朝向容纳位置的非球面为偶次二元衍射非球面；朝向用户眼睛的非球面为偶次非球面。

衍射非球面目镜成像原理的具体光路图如图4所示。在采用衍射非球面的目镜将显示屏上的图像经目镜提供给人眼时，会受限于显示屏尺寸，目视镜头的FOV(Field of View，视场)不能做的无限大，同时受瞳距限制，目镜镜片直径需小于50mm，而大的FOV有利于头戴显示器的视觉沉浸感提高，根据视度补偿公式：

$l=R*\frac{f^2}{1000}$

公式中，l为补偿的调节距离，R为近视度数/100的绝对值，f为目镜焦距。

由于短的焦距有利于补偿距离的缩短，根据公式可以看出，目镜的焦距越小越好，但是焦距越小，所需的生成技术和成本也越高，因此，本发明的发明人通过测试发现，将两片目镜中的任意一片目镜的焦距设置在35毫米～42毫米区间内，优选地，可以将焦距设置为38毫米，可以在保证在不提高生产成本的前提下，大大提高沉浸感。

朝向用户眼睛的表面为偶次非球面，该非球面的表面曲线坐标优选地可以采用以下公式进行计算：

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{r}^2+a_2{r}^4+a_3{r}^6+a_4{r}^8+a_5{r}^{10}+a_6{r}^{12}+a_7{r}^{14}+a_8{r}^{16}$

公式中，Z为矢高，k为圆锥系数，c为曲率，a为非球面系数，r为非球面顶点到非球面上点的距离。当然，上式中只列举了非球面的阶次为16的情况，在实际生产中，可以根据实际需要任意设定非球面的阶次，只要是偶次非球面均应在本申请的保护范围之内。

朝向容纳位置(如果放置显示屏的话，那就是朝向显示屏)的表面为偶次二元衍射非球面，该非球面的相位优选地可以采用以下公式计算：

公式中，M为衍射级次，A为衍射相位系数，p以镜片中心为参照的为径向坐标，N为衍射相位阶次，i为单独的衍射相位区域编号。其中N可以根据实际设计需要选择，只要是偶次二元衍射非球面均应在本申请的保护范围之内。

本实施方式中，图像重现装置的两片目镜中的任意一片通过采用偶次二元衍射非球面的设计，有效消除系统色差，提高视觉清晰度，并通过将焦距设置为一个优选的短焦距范围，使得两片目镜之间的距离大幅缩短，有效提高了用户观看画面时的沉浸感，提升了视觉体验。

本发明的第三实施方式涉及一种图像重现装置。第三实施方式在第一或第二实施方式基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在第三实施方式中，图像重现装置还设置有用于调节显示屏与用户眼睛之间距离的视度调节机构。

具体地说，图像重现装置还包括视度调节机构，该视度调节机构固定连接至壳体。在视度调节机构转动时，带动支架滑动，实现显示屏与用户眼睛之间距离的调节。

请参阅图5所示，给出了一种视度调节机构的位置示意图。图中，视度调节机构可以采用螺杆联动方式调整支架的位置。具体的说，第一调节单元设置于壳体1上，第一转动单元4设置于腔体内；第一调节单元具备第一转动齿轮；第一转动单元4具有第一螺杆5；第一转动齿轮与第一螺杆5联动；第一螺杆5与支架3联动。当视度调节机构转动时，具体为第一转动单元4先进行转动，然后带动第一螺杆5进行转动，通过第一螺杆5的转动，最终推动显示屏在支架3上做轴向移动，从而实现显示屏与用户眼睛之间距离的调节，达到视度补偿的效果。

本实施方式通过采用视度调节机构，当视度调节机构转动时，带动支架滑动，实现显示屏与用户眼睛之间距离的调节，从而解决了对不同近视、远视人群的视度补偿。

本发明的第四实施方式涉及一种图像重现装置。第四实施方式在第一、第二或第三实施方式基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在第四实施方式中，图像重现装置还设置有用于调节两片目镜的中心距的瞳距调节机构。

具体地说，图像重现装置还包括瞳距调节机构，该瞳距调节机构固定连接至壳体。在瞳距调节机构转动时，带动至少一片目镜滑动，实现两片目镜的中心距调节。

请参阅图6所示，给出了一种瞳距调节机构的位置示意图。图中，瞳距调节机构采用螺栓联动方式调节两片目镜中的任意一片目镜的位置。具体地说，两片目镜中的一片目镜为第一目镜2a；两片目镜中的另一片目镜为第二目镜2b。该瞳距调节机构具体包括：第二调节单元和第二转动单元；第三调节单元和第三转动单元。第二调节单元和第三调节单元均设置于壳体1上，第二转动单元和第三转动单元均设置于腔体内。

第二调节单元具备第二转动齿轮6a；第二转动单元具有在轴向上移动的第一联动件7a，第二转动齿轮6a与第一联动件7a联动；第一联动件7a与第一目镜2a联动。具体地说，第一联动件7a上设有滑轨(图中未标识)，第一目镜2a固定连接于第一连接件10a，该第一连接件10a在滑轨中沿轴向移动。当转动第二转动齿轮6a时，第一联动件7a沿轴向移动，由于第一联动件7a在具有滑轨的一侧是倾斜的，所以第一联动件7a移动时，会带动第一目镜2a在左右方向移动。为了固定第一目镜2a在轴向上的位置，在中间挡板上可设置第一限位件11a。

相应地，第三调节单元具备第三转动齿轮6b；第三转动单元具有在轴向上移动的第二联动件7b；第三转动齿轮6b与第二联动件7b联动；第二联动件7b与第二目镜2b联动。具体地说，第二联动件7b上设有滑轨(图中未标识)，第二目镜2b固定连接于第二连接件10b，该第一连接件10b在滑轨中沿轴向移动。当转动第三转动齿轮6b时，第二联动件7b沿轴向移动，由于第二联动件7b在具有滑轨的一侧是倾斜的，所以第二联动件7b移动时，会带动第二目镜2b在左右方向移动。为了固定第二目镜2b在轴向上的位置，在中间挡板上可设置第二限位件11b。

需要说明的是，图中第一限位件11a及第二限位件11b规格能够保证对第一目镜2a及第二目镜2b进行限位即可，不会影响第一目睛2a及第二目睛2b正常的光学功能。

简单来说，当瞳距调节机构转动时，具体为第二转动齿轮6a和第三转动齿轮6b先进行转动，然后第二转动齿轮6a的转动推动第一目镜2a的移动来实现左眼的瞳距调节，第三转动齿轮6b的转动推动第二目镜2b的移动来实现右眼的瞳距调节，通过这种方式带动至少一片目镜滑动，最终实现两片目镜的中心距离调节。

实际上，除了上述图6中所示的瞳距调节机构之外，还可以有其他实现瞳距调节的机构均应包括在本申请的保护范围之内。比如，第一目镜2a和第二目镜2b的左右方向上还可以设有导轨机构，目镜通过在导轨机构上的横向移动，在第一目镜2a和第二目镜2b之间设置弹性件(比如弹簧)，在第一目镜2a和第二目镜2b相对于弹性件的外侧设置限位件，通过移动限位件的位置，可以调整目镜之间的相互距离，从而可以适配不同瞳距要求。

本实施方式通过采用瞳距调节机构，当瞳距调节机构转动时，带动至少一片目镜滑动，实现两片目镜的中心距离调节，从而解决了不同人群瞳距差异导致的观看效果不理想问题，扩大了适用人群。

本发明的第五实施方式涉及一种头戴显示器。该头戴显示器包括显示屏以及上述第一至第四实施方式任意一个中的图像重现装置；其中，显示屏安装在支架上。

如图7所示，在本实施方式中，显示屏8可以为终端的显示屏，例如手机、平板电脑(PAD)的显示屏，也可以为独立显示屏，该独立显示屏可以与支架3一体设计，若显示屏8与支架3采用一体设计，则该图像重现装置还可以配置有相应的电源器件，作为显示屏8的电源。支架3为设置在腔体前部的容纳腔，容纳腔朝向第一目镜2a和第二目镜2b的一侧镂空。当终端放置在容纳腔内时，终端的显示屏位于镂空处。

为了呈现更好的视觉感受，显示屏可分成两个显示区，其中，两个显示区中的一个显示区对应用户的左眼，两个显示区中的另一个显示区对应用户的右眼。此外，壳体1可以设置中间挡板9，中间挡板将壳体形成的腔体分为左腔体和右腔体，左腔体前部是对应于左眼的显示区，后部是对应于左眼的一片目镜；右腔体前部是对应于右眼的显示区，后部是对应于右眼的一片目镜。

在显示屏8上显示有文字、图片或者视频时，显示的内容被左右眼1a和1b通过第一目镜2a和第二目镜2b观察，提供给头戴显示器用户良好沉浸感的视觉体验。此外，如果存在视度调节机构时，可以通过第一螺杆5的转动，带动了显示屏8在轴向移动，实现了对不同近视/远视人群的视度补偿。如果存在瞳距调节机构时，通过第二转动齿轮6a和第三转动齿轮6b的转动，第一联动件7a(可以为螺杆)和第二联动件7b(可以为螺杆)联动，从而带动了第一目镜2a和第二目镜2b在水平方向设置的导轨结构上的移动，调节了第一目镜2a，第二目镜2b相对中心的距离，实现不同瞳距人群的视觉适配。为有效消除光学系统色差，第一目镜2a和第二目镜2b采用了衍射面的光学设计，有效消除了成像色差，提高了系统边缘成像清晰度。

本实施方式的头戴显示器通过采用短焦距偶次二元衍射非球面的设计方案，有效降低了头戴显示器的重量和厚度以及生产、装配成本，通过螺栓的调整机构实现了视度补偿和瞳距调节，提高了头戴显示器的适用人群范围和用户的视觉体验效果。

本发明的第六实施方式涉及一种头戴显示器。第六实施方式与第五实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，显示屏为终端的显示屏。而在本发明第二实施方式中，显示屏为独立的显示模组的显示屏。

具体地说，显示模组安装在支架上，显示模组带有与外界进行信息交互的接口。该接口可以是有线或无线接口，通过该接口，头戴显示器从外部获得要显示的内容。

显示模组的显示屏可以如终端的显示屏一样，采用一块显示屏，将一块显示屏分成两个显示区，两个显示区中的一个显示区对应用户的左眼，两个显示区中的另一个显示区对应用户的右眼。在壳体内设置中间挡板，该中间挡板位于两个显示区的分界处，并将腔体分为左腔体和右腔体。左腔体前部是对应于左眼的显示区，后部是对应于左眼的一片目镜；右腔体前部是对应于右眼的显示区，后部是对应于右眼的一片目镜。

此外，显示模组还可以设计成具有两块显示屏的形式，两块显示屏中的一块显示屏对应用户的左眼，两块显示屏中的另一块显示屏对应用户的右眼。在此种情形下，中间挡板位于两块显示屏中间交接处。中间挡板也将腔体分为左腔体和右腔体。左腔体前部是对应于左眼的显示屏，后部是对应于左眼的一片目镜；右腔体前部是对应于右眼的显示屏，后部是对应于右眼的一片目镜。

本实施方式的头戴显示器通过采用独立的显示模组作为显示器件，达到了与第五实施方式同样的技术效果，给出了一种可行的实现方式，使得本发明的头戴显示器的设计更加灵活，有利于推广应用。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。