一种用于虚拟现实的近眼显示系统及头戴显示设备的制作方法

本实用新型属于近眼显示系统领域，更具体为一种用于虚拟现实的近眼显示系统及头戴显示设备。

背景技术：

在近眼显示设备中，近眼显示光学系统是核心组成部分。一般情况下，近眼显示系统中虚拟现实显示屏距离使用者的眼球10cm左右，通过特殊的光学装置将图像清晰地投射在人眼的视网膜上，在使用者眼前呈现出虚拟大幅画像。由此应用于虚拟现实或增强现实。增强现实即是在看到虚拟图像的同时也会看到现实场景。

目前，近眼显示系统中的虚拟现实镜片多数为非球面镜片或者菲涅尔镜片，无法满足大视场成像要求及后工作距离(后工作距离又称后焦距，是指镜片曲面中心到同侧焦点的距离)要求，同时无法矫正畸变、垂轴色差等轴外像差，使光轴上点不能成为一个白光点，而是成为彩色弥散斑，使用户不能清晰的看清所呈现出的虚拟大幅画像，只能通过其他软件来矫正，导致市场上销售的与之相关的VR眼镜等产品制造成本高昂，进而导致市场售价也比较贵，普通人根本无法接受此价格，不利于市场的推广及应用。

技术实现要素：

基于上述现有技术存在的一些缺陷，本实用新型第一个发明目的在于提供一种用于虚拟现实的近眼显示系统，该系统中包括了解决上述技术问题的目镜，该目镜具有大视场、短后工作距离及小像差等优点，应用在此虚拟现实的近眼显示系统中，它具有低成本、大视场、短后工作距离及高成像质量的优点。本实用新型的二个发明目在于提供一种头戴显示设备，它应用了虚拟现实的近眼显示系统，同样具有低成本、大视场、短后工作距离及高成像质量的优点，同时，有效提高使用者的沉浸感。

上述用于虚拟现实的近眼显示系统和头戴显示设备技术上相互关联，属于同一个发明构思。

为了实现上述第一个发明目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种用于虚拟现实的近眼显示系统，包括目镜及用于构建虚像的显示屏；其中：

所述目镜设置在所述显示屏的一侧；

所述目镜由多个微透镜阵列形成，所述微透镜阵列形成阵列面，所述阵列面为曲面，所述曲面为凹凸面，凹面端朝向用户的眼睛，凸面端朝向所述显示屏；

所述目镜位于入瞳和显示屏之间；

所述微透镜是凸透镜。

作为优选，所述目镜为由多个所述微透镜沿曲面拼成的旋转对称体。

作为优选，旋转对称体的中心位置的微透镜是中心透镜；中心透镜的中心轴是目镜的光轴；所述微透镜的焦距及微透镜的口径分别由中心透镜处向外周处逐渐变小。

作为优选，所述微透镜阵列还包括透明基板，所述透明基板上设有多个通孔，多个微透镜通过分别填充所述通孔而设置在所述透明基板上。

作为优选，所述目镜的中心与显示屏的中心同心设置。

作为优选，所述微透镜焦距在5mm～40mm之间。

作为优选，所述微透镜口径的直径在0.2mm～5mm之间。

作为优选，所述微透镜的阵列半径R在50mm～∞mm之间。

作为优选，所述目镜中心到所述入瞳处的距离在5mm～40mm之间。

为了实现上述第二个发明目的，本实用新型采用如下技术方案，一种头戴显示设备，包括上述所述的用于虚拟现实的近眼显示系统，还包括头戴支架，头戴支架对应于人眼位置设有目镜安装通孔，微透镜阵列形成的目镜安装在目镜安装通孔内；显示屏装在头戴支架周向外围位置。

进一步的，所述头戴支架对应于目镜位置设有显示屏安装槽，所述显示屏安装槽的大小与所述显示屏相适配，所述显示屏安装在所述显示屏安装槽内。

进一步的，头戴显示设备是单目单屏头戴显示设备，头戴支架对应于人左眼或右眼位置处设有目镜安装通孔，所述目镜安装在所述目镜安装通孔内。

进一步的，所述显示屏的尺寸在0.61英寸～3.5英寸之间。

进一步的，头戴显示设备是双目单屏头戴显示设备，头戴支架对应于人双眼位置处设有目镜安装通孔，所述目镜安装在所述目镜安装通孔内。

进一步的，所述显示屏的尺寸在4.7英寸～6英寸之间。

进一步的，所述头戴支架上还装有可调节头戴显示设备松紧的头带。

本实用新型提供的用于虚拟现实的近眼显示系统及头戴显示设备，最终使得VR眼镜等产品价格低廉、可被普通人接受的一种产品，实现人人可以体验VR产品，同时具有大视场、短后工作距离及高成像质量等优点。具体地：

(一)针对本实用新型用于虚拟现实的近眼显示系统，其使用的目镜不同于目前市场上所用的非球面镜片或者菲涅尔镜片等普通透镜，目镜通常是由若干个透镜组合而成，普通透镜成像，由于其口径和视场都比较大，存在严重的像差，同时无法将视场做大、后工作距离无法做短。即使普通微透镜整列可以将后工作距离做的很小，但成像质量仍然较差，主要是由于光轴外透镜对轴外区成像，同样相当于轴外成像，成像质量很难提高，同时由于普通微透镜的粘合处会带来一定的的纱网效应，影响视觉，而本实用新型中的目镜，其是基于微透镜阵列，但此微透镜阵列不同于普通的微透镜阵列，本实用新型中的微透镜阵列的阵列面是曲面，光线基本分布在此微透镜阵列的光轴附近，可认为对近轴区成像，基本消除轴外像差，使整个视场的成像都比较清晰，有效提高成像质量，且不需通过其他软件来矫正，降低制造成本。

(二)针对本实用新型的头戴显示设备，具有如下优点：

1)本实用新型的头戴显示设备，通过使用上述所述的用于虚拟现实的近眼显示系统，采用曲面微透镜阵列作为目镜，打破了传统的微透镜在平面上阵列的方法，使每个微透镜都对自己光轴附近的微视场成像，因此所有微透镜组合起来，所有微视场组合起来，使整个视场都达到高清晰的像质。

2)本实用新型的头戴显示设备，其使用的每个微透镜的焦距可根据需求进行变换，有效减小整个系统的后工作距离，矫正轴外像差，通过变换微透镜口径的方法能有效平衡纱网效应及白雾效应，减轻透镜粘合处对视觉的影响，提高成像质量，同时有效提高使用者的沉浸感。

3)本实用新型的头戴显示设备，其通过微透镜曲面阵列能有效提高像质，不需通过其他软件来补偿轴外像差，降低了制造成本，有极高的量产性，可以满足大众使用。

附图说明

图1为本实用新型实施例1微透镜曲面阵列成像的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1普通透镜成像的结构示意图；

图3为本实用新型实施例1普通微透镜成像的结构示意图；

图4为本实用新型实施例1微透镜曲面阵列成像的结构示意图；

图5为本实用新型实施例2中头戴显示设备双目单屏的结构示意图；

图6为本实用新型实施例2中头戴显示设备单目单屏的结构示意图。

具体实施方式

以下是对本实用新型技术方案的举例详细说明，不能作为本实用新型保护范围的限定。

实施例1

如图1所示的用于虚拟现实的近眼显示系统，包括目镜1及用于构建虚像的显示屏2；其中：目镜1设置在所述显示屏2的一侧，目镜1是由多个凸透镜微透镜11阵列形成的，微透镜11阵列形成阵列面12，阵列面12为曲面，曲面为凹凸面，凹面端朝向用户的眼睛，凸面端朝向所述显示屏2；显示屏2发出的光线经过目镜1在入瞳3处成像；目镜1位于入瞳3和显示屏2之间。微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列，此结构制作的时候充分考虑了微透镜11阵列形成的阵列面12对该虚拟现实的近眼显示系统的影响，同时对多个微透镜11粘合处进行处理，使其减轻微透镜11结合处对视觉及成像质量的影响。

如图1所示，为了使多个微透镜11粘合形成的目镜1结构更加稳固，在微透镜阵列面设置供微透镜11安装的基板13，基板13上根据微透镜11口径的大小设有大小不一的多个通孔，多个微透镜11通过分别填充上述通孔而设置在基板13上，实现其结构的稳固。

本实用新型的虚拟现实的近眼显示系统属于同轴系统，即光轴4从入瞳3处穿过目镜1和显示屏2的中心，如图1所示，光轴4穿过的微透镜为中心透镜110，此系统使每个微透镜11的成像区都在各自的光轴4附近，可基本消除外像差，使整个视场都比较清晰，形成较高质量的像质。

目镜1为微透镜11组成的旋转对称体，从其微透镜阵列形成的阵列面12为曲面，可以看出目镜1是凹凸镜，为了使其可以消除轴外像差，可以根据需要设定面曲率，其从入瞳3一侧凸向显示屏2一侧，显示屏2发出的光线经过目镜1在入瞳3处成像。

如图2所示，普通透镜成像，由于普通透镜的口径和视场都比较大，导致形成的像质存在严重的像差，即使使用非球面透镜，也只是在光轴4上或者近轴区成像质量较好，而光轴4外光的成像质量仍然很差，同时无法将视场做大，后工作距离无法做短。

如图3所示，普通外透镜阵列可以将后工作距离做的很小，但成像质量仍然较差，主要是由于轴外透镜对轴外区成像，同样相当于轴外成像，成像质量很难提高，同时由于普通微透镜粘合处会带来一定纱网效应，影响视觉，且全口径区对屏幕成像为轴外成像，由于视场较大，因此轴外像差会很严重，同样无法兼顾小后工作距离、高成像质量的要求。

如图4所示，本实用新型中的光线基本分布在微透镜11光轴附件，可认为对近轴区成像，微透镜11阵列的曲面率可以根据需要设定，此阵列半径R的尺寸在50mm～∞mm之间，可使每个微透镜11的成像区都在各自的光轴4附近，基本可以消除轴外像差，使整个视场的成像都达到高质量。同时，本实用新型中微透镜11的口径可以根据不同要求设置微透镜11的口径排布，微透镜11口径的直径在0.2mm～5mm之间，为了使成像质量较高，微透镜11口径的大小可由中心透镜110处向四周逐渐递减，且微透镜11阵列密度越高，纱网效应越不明显，但成像白雾较高；微透镜11阵列密度越低，纱网越明显，但白雾越低，因此可以根据使用过程中，使用者的需求对微透镜11的口径排布进行设置。

微透镜11的后工作距离的尺寸在5mm～40mm之间，解决了传统普通透镜及普通微透镜使用时不能缩短后工作距离、无法满足大视场的问题。

实施例2

如图5和图6所示，一种头戴显示设备，包括使用上述所述的用于虚拟现实的近眼显示系统，还包括头戴支架51，头戴支架51对应于人眼位置设有目镜安装通孔，微透镜11阵列形成的目镜1安装在目镜安装通孔内；显示屏2装在头戴支架51周向外围位置。

为了如手机及视屏播放器等带有显示屏2的设备能够较好的安装在头戴支架上，还可以在头戴支架上设置显示屏安装槽52，可以将手机、视屏播放器等放置在显示屏安装槽52内，显示屏2一侧对准人眼位置放置，还可以在头戴支架51上设置可活动的夹板夹。

为了使使用者获得较高的舒适度且使头戴显示设备固定在使用者的头上，使其双目对焦屏幕，还在头戴显示设备上设置了可调节松紧的头带53，使用者可根据需要调节头带53的松紧，使用平滑的头带53，还可使使用着不论坐着还是躺着都可以使用，不受姿势的限制，适用范围更广。

其中屏幕的大小决定整个系统的厚度，对于消费类头戴显示设备，整个系统越薄越好，而屏幕越小，视场角越小，此处视场角FOV＝2α＝90°～180°，因此对于产品需要在屏幕尺寸、系统厚度、视场角之间平衡。对于单目单屏，屏幕的大小一般满足：对角线长＝0.61英寸～3.5英寸；对于双目单屏，屏幕的大小一般满足：对角线长＝4.7英寸～6英寸。

本实用新型提供了一种大视场、短后工作距离及高成像质量的虚拟现实系统及头戴显示设备，有效解决了目前市场上使用单镜片存在的缺陷，增大视场角可有效提高使用者的沉浸感，短的后工作距离可有效减小设备的尺寸，使设备更轻便，同时，目镜可适配较小尺寸的屏幕，解决了单镜片无法适配小尺寸屏幕的缺点。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。