一种头戴式虚拟现实显示设备的制作方法

本实用新型涉及领域头戴技术领域，尤其涉及一种头戴式虚拟现实显示设备。

背景技术：

目前头戴式虚拟现实显示设备的光学放大元件均采用传统透镜，如球面透镜、非球面透镜或自由曲面光学透镜，受光学加工技术及光学材料的限制，显示设备中的光学放大镜组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)，使用者通过光学放大镜组所能观察到的视野被放大镜组的口径限制，放大镜组的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。在保证头戴式虚拟现实显示设备体积足够小、重量足够轻的前提下，如何增大光学放大镜组的口径以此来实现头戴式虚拟现实显示设备大视场成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型提供一种头戴式虚拟现实显示设备，解决现有头戴式虚拟现实显示设备使用的光学放大镜组的口径小导致的视野与产品体积和重量不可兼顾的问题。

本申请实施例提供了一种头戴式虚拟现实显示设备，其特征在于，包括光学系统，所述光学系统包括图像显示源和光学放大镜组，所述图像显示源包括左右显示屏，所述光学放大镜组包括左右光学放大组合镜，所述光学放大组合镜包括聚焦薄型光学元件和一组带透明板裙边的凸透镜或组合凸透镜，所述聚焦薄型光学元件和所述带透明板裙边的凸透镜或组合凸透镜边缘相接，所述透明板裙边具有与所述带透明板裙边的凸透镜或组合凸透镜的凸面同圆心的菲涅尔环带。

可选的，所述左右显示屏的显示面之间具有夹角，所述左右光学放大组合镜的出射面之间具有夹角。

可选的，所述光学放大镜组还包括左右透明板，所述左透明板和所述左光学放大组合镜叠合在一起，且所述左透明板设置在所述左光学放大组合镜靠近人眼一端；所述右透明板和所述右光学放大组合镜叠合在一起，且所述右透明板设置在所述右光学放大组合镜靠近人眼一端。

可选的，所述左右透明板为光学塑料板或光学玻璃板。

可选的，所述光学放大组合镜还包括保护片，所述保护片设置在所述透明板和所述带透明板裙边的凸透镜或组合凸透镜之间。

可选的，所述凸透镜为球面透镜或非球面透镜或自由曲面光学透镜；所述聚焦薄型光学元件为菲涅尔透镜或菲涅尔波带片或二元光学元件。

可选的，所述聚焦薄型光学元件呈平板结构或曲面结构。

可选的，所述聚焦薄型光学元件与所述带透明板裙边的凸透镜或组合凸透镜通过光学胶合方式或机械拼接方式结合在一起。

可选的，所述头戴式虚拟现实显示设备包括用于实现头戴装置功能的主体结构及用于佩戴其主体结构的头戴结构，所述头戴结构的前端与所述主体结构的顶部边框连接，所述光学系统设置在所述主体结构中。

可选的，所述头戴结构包括额头支撑部、后侧支撑部和连接部，所述连接部呈弧形，其主体支架为具有弹性的刚性材料；所述连接部一端与所述额头支撑部相连，另一端与所述后侧支撑部相连。

本实用新型的有益效果如下：

基于上述技术方案，本实用新型实施例中光学系统中的光学放大组合镜包括聚焦薄型光学元件和一组带透明板裙边的凸透镜或组合凸透镜，所述聚焦薄型光学元件和所述带透明板裙边的凸透镜或组合凸透镜边缘相接，由于所述透明板裙边具有与所述带透明板裙边的凸透镜或组合凸透镜的凸面同圆心的菲涅尔环带，所述菲涅尔环带的汇聚能力和所述凸面的汇聚能力等效，从而在所述凸面的边界延伸一段口径(即所述透明板裙边的长度)，从而扩大了所述带透明板裙边的凸透镜或组合凸透镜的光学口径，如此，能够在保证头戴式虚拟现实显示设备体积足够小、重量足够轻的前提下，实现头戴式虚拟现实显示设备具有大视场的技术效果。

附图说明

图1为本实用新型实施例中光学系统的第一种结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本实用新型实施例中光学系统的第二种结构示意图；

图4为本实用新型实施例中光学系统的第三种结构示意图；

图5为本实用新型实施例中光学系统的第四种结构示意图；

图6为实用新型实施例中头戴式虚拟现实显示设备的结构示意图。

图中标记：1-左光学放大组合镜，11-左聚焦薄片型光学元件，12-凸透镜，121-凸面，13-透明板裙边，131-菲涅尔环带，2-右光学放大组合镜，21-右聚焦薄片型光学元件，22-凸透镜，221-凸面，23-透明板裙边，231-菲涅尔环带，3-图像显示源，31-左显示屏，32-右显示屏，40-左眼，41-右眼，50-左透明板，51-右透明板，6-主体结构，70-额头支撑部，71-后侧支撑部，72-连接部，73-第三支撑部，a-夹角，b-夹角，c-夹角，d-夹角。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本申请实用新型中，为了更好的头戴式虚拟现实显示设备，下面结合附图对本实用新型的头戴式虚拟现实显示设备的结构及原理进行叙述。

如图1～图2所示，本申请实施例提供了一种头戴式虚拟现实显示设备包括光学系统，所述光学系统包括图像显示源3和光学放大镜组，图像显示源3包括左显示屏31和右显示屏32，所述左光学放大镜包括左光学放大组合镜1，所述右光学放大镜包括右光学放大组合镜2，左光学放大组合镜1包括左聚焦薄型光学元件11和一组带透明板裙边13的凸透镜12，左聚焦薄型光学元件11和凸透镜12边缘相接，透明板裙边13具有与带透明板裙边13的凸透镜12的凸面121同圆心的菲涅尔环带131；右光学放大组合镜2包括右聚焦薄型光学元件21和一组带透明板裙边23的凸透镜22，右聚焦薄型光学元件21和凸透镜22边缘相接，透明板裙边23具有与带透明板裙边23的凸透镜22的凸面221同圆心的菲涅尔环带231。

本申请实施例中，左聚焦薄型光学元件11可以与凸透镜12通过光学胶合方式或机械拼接方式结合在一起；同理，右聚焦薄型光学元件21可以与凸透镜22通过光学胶合方式或机械拼接方式结合在一起。

本申请实施例中，左聚焦薄型光学元件11可以是中心镂空的平面基底菲涅尔透镜，左聚焦薄型光学元件11内径带下沉的搭接沿，搭接沿与凸透镜11的透明板裙边13相吻合。将凸透镜11与左聚焦薄型光学元件11组合在一起时，凸透镜11正好嵌入左聚焦薄型光学元件11中心镂空区域，凸透镜11的透明板裙边13与左聚焦薄型光学元件11下沉搭接沿重叠；同理，右聚焦薄型光学元件21可以是中心镂空的平面基底菲涅尔透镜，右聚焦薄型光学元件21内径带下沉的搭接沿，搭接沿与凸透镜21的透明板裙边23相吻合。将凸透镜21与右聚焦薄型光学元件21组合在一起时，凸透镜21正好嵌入右聚焦薄型光学元件21中心镂空区域，凸透镜21的透明板裙边23与右聚焦薄型光学元件21下沉搭接沿重叠。

本申请实施例中，左聚焦薄型光学元件11和右聚焦薄型光学元件21可以均呈平板结构。

本申请实施例中，凸透镜12和凸透镜22还可以是组合凸透镜，其中，所述凸透镜为传统球面透镜、非球面透镜或自由曲面光学透镜；所述组合凸透镜指至少两块凸透镜组合在一起形成一个透镜组，例如两块口径一致的圆形的非球面透镜胶合在一起形成组合凸透镜；左聚焦薄型光学元件11或右聚焦薄型光学元件21可以为菲涅尔透镜、菲涅尔波带片或二元光学元件。

本申请实施例中，左显示屏31和右显示屏32均采用至少4K的显示屏；例如图像显示源3的左显示屏31可以采用4K或5K显示屏；同理，图像显示源3的右显示屏32也可以采用4K或5K显示屏，其中，左显示屏31和右显示屏32位于同一个平面，也可以位于多个平面上，本申请不作具体限制。

其中，左显示屏31和右显示屏32可以是一体成型的，也可以是独立的两块显示屏，当然，左显示屏31和右显示屏32还可以是分离式的；以及左光学放大组合镜1和右光学放大组合镜2可以是一体成型的，也可以是独立的两块光学放大组合镜，当然，左光学放大组合镜1和右光学放大组合镜2还可以是分离式的，本申请不作具体限制。

在本申请另一实施例中，为了防止左显示屏31出射的光线入射到凸透镜21上和右显示屏32出射的光线入射到凸透镜11上出现光线混淆情况，可以在设置有光遮挡片，其中，所述光遮挡片一端连接左显示屏31和右显示屏32的结合部，另一端连接左光学放大组合镜1和右光学放大组合镜2的结合部；即所述光遮挡片的另一端连接凸透镜11和凸透镜21的结合部。

本申请实施例中，所述头戴式虚拟现实显示设备的显示视场指的是左眼40的显示视场和右眼41的显示视场叠加之后的视场，使得双眼视场能够达到180°。

参见图1和图2，所述光学放大镜组还包括左透明板50和右透明板51，左透明板50和左光学放大组合镜1叠合在一起，且左透明板50设置在左光学放大组合镜1靠近人眼一端；右透明板51和右光学放大组合镜2叠合在一起，且右透明板51设置在右光学放大组合镜2靠近人眼一端。图像显示元3发出的光信息经过左光学放大组合镜1和右光学放大组合镜2后射入人眼。

具体的，由于左光学放大组合镜1包括左聚焦薄型光学元件11和凸透镜12，而左透明板50和左光学放大组合镜1叠合在一起，如此，使得左透明板50能够增加左聚焦薄型光学元件11和凸透镜12之间的连接强度；同理，右透明板51能够增加右聚焦薄型光学元件21和凸透镜22之间的连接强度，

具体的，左透明板50和右透明板51可以为光学塑料板或光学玻璃板，且左透明板50和右透明板51可以是一体成型的，也可以是独立的两块透明板，本申请不作具体限制。

本申请实施例中，左透明板50和右透明板51可以是无汇聚功能的透明平板如亚克力板，也可以是具有汇聚功能的平面基底的菲涅尔透镜；左透明板50和右透明板51为菲涅尔透镜平板可以承担光学系统的一部分汇聚功能，如此，可以减轻左光学放大组合镜1和右光学放大组合镜2的汇聚功能，使得透镜更易加工。

本申请实施例中，所述光学放大组合镜还包括保护片，在左透明板50和凸透镜12之间和右透明板51和凸透镜22之间均设置有所述保护片，即所述保护片分别贴合在菲涅尔环带131和菲涅尔环带231上，如此，可以通过所述保护片来防止菲涅尔环带131和菲涅尔环带231形成的槽划伤左透明板50和右透明板51，而且也能够在安装所述左右光学放大组合镜和所述左右透明板时槽划伤手部的概率，从而能够有效提高安装的安全性能；其中，所述保护片可以为透明的光学塑料或光学玻璃制成。

具体来讲，参见图2，凸透镜12带有透明板裙边13，由于凸透镜12的凸面121受凸镜中心的限制(中心厚度过大注塑加工中不易成型，易出现缩水，)其口径不能过大，可以在凸面121的边界延伸出一小段口径(即透明板裙边13的长度)，透明板裙边13具有和凸面121同圆心的菲涅尔环带131，菲涅尔环带131的汇聚能力和凸面121的汇聚能力等效，由此能够有效扩大了凸透镜12的光学口径；同理，菲涅尔环带231的汇聚能力和凸面221的汇聚能力等效，由此能够有效扩大了凸透镜22的光学口径；而光学口径的扩大使得显示的视场也随之变大，而透明板裙边13和透明板裙边23与增加凸镜中心厚度相比其重量更轻且体积也更小；如此，能够在保证头戴式虚拟现实显示设备体积足够小、重量足够轻的前提下，实现头戴式虚拟现实显示设备具有大视场的技术效果。

而且，凸透镜12与左聚焦薄型光学元件11的边缘相接，可以使用光学胶如环氧树脂胶合拼接或机械方式拼接；使得凸透镜12与左聚焦薄型光学元件11拼接处具有拼接痕迹，理论上该拼接痕迹将被人眼观察到，然而考虑到人眼的视角和注视情况，如被观察的物体和人眼中心视野的角度超过120度甚至更大时，对该物体成像模糊，且需要转动身体或头去清晰捕捉该物体；因此将凸透镜12以透明板裙边13的形式延伸而使得凸透镜12的边界相对人眼中心的角度大于120度甚至更大，可以很大程度上削弱注凸透镜12和左聚焦薄型光学元件11的拼接痕迹的影响；同时在垂直方向，凸透镜12以透明板裙边裙边13的形式延伸满足垂直视场的需求，与左聚焦薄型光学元件11无拼接，故在垂直方向无拼接痕迹；同理，凸透镜22以透明板裙边23的形式延伸而使得凸透镜22的边界相对人眼中心的角度大于120度甚至更大，可以很大程度上削弱注凸透镜22和右聚焦薄型光学元件21的拼接痕迹的影响，以及凸透镜镜在垂直方向无拼接痕迹。

在另一实施例中，参见图3，左显示屏31的左显示面和右显示屏32的右显示面之间可以具有夹角a，a为不小于145°且不大于180°的角，例如可以为145°、150°、155°、165°和175°等。优选的，左显示屏31和右显示屏32之间的夹角a为160°。

由于左显示屏31的左显示面和右显示屏32的右显示面之间具有夹角a，与平行的左显示屏31和右显示屏32相比，其显示视场明显扩大，如此，能够有效提高头戴式虚拟现实显示设备的显示视场；而且在通过左光学放大组合镜1和右光学放大组合镜2之间也具有夹角a，使得图像显示源3显示的光信息，经左光学放大组合镜1和右光学放大组合镜2放大后的投影虚像由人眼接收，图像显示源3显示的光信息经左光学放大组合镜1和右光学放大组合镜2放大后的显示视场进一步扩大，使得头戴式虚拟现实显示设备的显示视场能够达到180°。

其中，左光学放大组合镜1和右光学放大组合镜2的光线出射面之间具有夹角b，夹角a和夹角b的角度相同，使得左光学放大组合镜1与左显示屏31平行，右光学放大组合镜2与右显示屏32平行，使得左显示屏31和右显示屏32发出的光线能够绝大部分或全部入射到左光学放大组合镜1和右光学放大组合镜2上，减少左显示屏31和右显示屏32发出的光线未入射到左光学放大组合镜1和右光学放大组合镜2上的数量，如此，使得通过左光学放大组合镜1和右光学放大组合镜2放大后的由人眼接收的投影虚像与图像显示源3的显示图像更匹配，使得用户看到的投影虚像更精确。

进一步的，由于左光学放大组合镜1和右光学放大组合镜2的光线出射面之间具有夹角b，使得左光学放大组合镜1和右光学放大组合镜2位于两个平面上，而且左光学放大组合镜1和右光学放大组合镜2是分离式，通过固定结构例如支架等固定在所述头戴式虚拟现实显示设备中。

在另一实施例中，参见图4，左显示屏31和右显示屏32位于同一平面上，而左聚焦薄型光学元件11和凸透镜12的透明板裙边13相接，且左聚焦薄型光学元件11和透明板裙边13相接的两个面之间具有夹角c，通过夹角c可以使得左聚焦薄型光学元件11和凸透镜12通过折转的方式来增大视野包裹感和视场，使得沉浸感也随之提高；同理，右聚焦薄型光学元件21和凸透镜22的透明板裙边23相接，且右聚焦薄型光学元件21和透明板裙边23相接的两个面之间具有夹角d，通过夹角d可以使得右聚焦薄型光学元件21和凸透镜22通过折转的方式来增大视野包裹感和视场，使得沉浸感也随之提高。

其中，所述光学放大镜组还包括左透明板50和右透明板51(未在图4中示出，具体参考图1)，左透明板50和左光学放大组合镜1叠合在一起，且左透明板50设置在左光学放大组合镜1靠近人眼一端；右透明板51和右光学放大组合镜2叠合在一起，且右透明板51设置在右光学放大组合镜2靠近人眼一端。

在另一实施例中，参见图5，左显示屏31和右显示屏32位于同一平面上，而左聚焦薄型光学元件11和凸透镜12的透明板裙边13相接，透明板裙边13和左聚焦薄型光学元件11均呈曲面结构，通过曲面结构可以使得左聚焦薄型光学元件11和凸透镜12通过折转的方式来增大视野包裹感和视场，使得沉浸感也随之提高；同理，右聚焦薄型光学元件21和凸透镜22的透明板裙边23相接，透明板裙边23和右聚焦薄型光学元件21均呈曲面结构，通过曲面结构可以使得右聚焦薄型光学元件21和凸透镜22通过折转的方式来增大视野包裹感和视场，使得沉浸感也随之提高。

其中，所述光学放大镜组还包括左透明板50和右透明板51(未在图4中示出，具体参考图1)，左透明板50和左光学放大组合镜1叠合在一起，且左透明板50设置在左光学放大组合镜1靠近人眼一端；右透明板51和右光学放大组合镜2叠合在一起，且右透明板51设置在右光学放大组合镜2靠近人眼一端。

为了满足某些特定需求，上述各实施例头戴显示光学系统中的光学元件均可以选择性的增镀增透膜，加硬膜，防雾膜等功能性膜层。

本申请实施例中，参见图6，所述头戴式虚拟现实显示设备包括用于实现头戴装置功能的主体结构6及用于佩戴其主体结构的头戴结构，所述头戴结构的前端与主体结构6的顶部边框连接，所述光学系统设置在主体结构6中。

其中，所述头戴结构包括额头支撑部70、后侧支撑部71和连接部72，连接部72一端与额头支撑部70相连，另一端与后侧支撑部71相连。进一步的，所述头戴结构的前端与主体结构6的顶部边框连接，

在本实用新型中，连接部72可以采用弹性带，也可以采用具有弹性的刚性材料，本实用新型实施例中，连接部72主体支架优选采用弧形弹簧钢，且为了实现美观轻便，连接部72的主体支架由两根弧度一致的弹簧钢组成。弹簧钢在前端头戴主体结构及后侧支撑部的合力下，会发生挤压变形，使头戴式虚拟现实显示设备更稳定的固定在用户头上。

在连接部72的主体支架外侧，可以设置一个软管将主体支架包住，头戴式虚拟现实显示设备如果需要走线，可沿连接部72主体支架与软管之前的间隙将信号电源线从头戴主体机构端连接至后侧支撑部71。

为了更好的提供支撑固定功能，优选的，所述头戴结构还包括第三支撑部73，第三支撑部73紧靠后侧支撑部71，采用可拆卸的方式连接于连接部72上。

优选的，后侧支撑部71的左侧和/或右侧下方设置有耳机孔，用于外接耳机。

本实用新型实施例的有益效果如下：

本申请实施例中光学系统中的光学放大组合镜包括聚焦薄型光学元件和一组带透明板裙边的凸透镜或组合凸透镜，所述聚焦薄型光学元件和所述带透明板裙边的凸透镜或组合凸透镜边缘相接，由于所述透明板裙边具有与所述带透明板裙边的凸透镜或组合凸透镜的凸面同圆心的菲涅尔环带，所述菲涅尔环带的汇聚能力和所述凸面的汇聚能力等效，从而在所述凸面的边界延伸一段口径(即所述透明板裙边的长度)，从而扩大了所述带透明板裙边的凸透镜或组合凸透镜的光学口径，如此，能够在保证头戴式虚拟现实显示设备体积足够小、重量足够轻的前提下，实现头戴式虚拟现实显示设备具有大视场的技术效果。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。