一种头戴显示光学模组及设备的制作方法

本发明涉及头戴显示领域，尤其涉及一种头戴显示光学模组及设备。
背景技术：
：虚拟现实技术和增强现实技术都是可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，在游戏娱乐、教育、医疗、军事模拟等各方面都得到了广泛的应用。现有设计中，虚拟现实技术和增强现实技术中的显示面板在大的出射角度下发出的光线存在色偏的问题，即大视角色偏，这将影响用户观察到的图像质量。另外，显示面板在大的出射角度下发出的光线的能量低，光学效率也低。技术实现要素：本发明提供一种头戴显示光学模组及设备，以使用户观察到大视场角下的无色偏图像，并且有较高的光学效率。第一方面，本发明实施例提供一种头戴显示光学模组，用于将显示面板显示画面成像在用户观察侧，包括：光学镜组，位于所述显示面板的发光显示侧；保护层，位于所述显示面板与所述光学镜组之间的光学路径上；所述保护层包括至少一个第一保护层，所述第一保护层的折射率在其内部至少沿着径向连续变化，所述径向位于所述第一保护层所在平面内，且由所述第一保护层的中心指向所述第一保护层的边缘。可选地，所述第一保护层的折射率n满足：n＝m0+m2·r2+m4·r4+j·z1；其中，r为与所述第一保护层的中心的径向距离，z1为与所述第一保护层的中心的轴向距离，所述轴向垂直于所述第一保护层所在平面，m0、m2、m4和j为实数。可选地，n＝1.5+0.046r2。可选地，n＝1.5+0.01r2+0.0004r4。可选地，所述第一保护层的折射率在其内部还沿着所述轴向连续变化；n＝1.5+0.005r2+0.0001r4+0.003z1。可选地，所述保护层还包括至少一个第二保护层，所述第二保护层内部任意两个位置处具有相同的折射率；所述至少一个第二保护层位于所述显示面板与所述至少一个第一保护层之间。可选地，所述光学镜组包括第一凸透镜、曲面镜和半透半反组件，所述曲面镜位于所述半透半反组件远离用户观察侧的一侧，且所述半透半反组件位于所述第一凸透镜与所述曲面镜之间的光学路径上；所述第一凸透镜位于所述保护层与所述半透半反组件之间。可选地，所述曲面镜包括第一非球面，所述第一凸透镜包括第二非球面；所述第一非球面和所述第二非球面满足偶次非球面公式：其中，z2为非球面表面的轴向矢高，y为非球面表面的径向距离，k为圆锥系数，c为曲率，a,b,c,d,e,f为非球面系数；所述第一非球面和所述第二非球面满足：abcdef第一非球面2.62e-63.96e-8-1.97e-111.23e-1200第二非球面-9.33e-5-3.12e-74.13e-87.60e-1000。可选地，所述曲面镜包括第一非球面，所述第一凸透镜包括第二非球面；所述第一非球面和所述第二非球面满足偶次非球面公式：其中，z2为非球面表面的轴向矢高，y为非球面表面的径向距离，k为圆锥系数，c为曲率，a,b,c,d,e,f为非球面系数；所述第一非球面和所述第二非球面满足：abcdef第一非球面2.71e-64.01e-8-1.86e-112.13e-1200第二非球面-9.42e-5-3.23e-74.02e-86.55e-1000。可选地，所述光学镜组包括第二凸透镜和第一透镜组，所述第一透镜组位于所述第二凸透镜与所述保护层之间。可选地，所述第二凸透镜包括第三非球面和第四非球面，所述第四非球面位于所述第三非球面与所述第一透镜组之间；所述第三非球面和所述第四非球面满足偶次非球面公式：其中，z2为非球面表面的轴向矢高，y为非球面表面的径向距离，k为圆锥系数，c为曲率，a,b,c,d,e,f为非球面系数；所述第三非球面和所述第四非球面满足：abcdef第三非球面7.93e-74.32e-93.38e-10-1.66e-122.01e-150第四非球面7.55e-6-5.18e-86.57e-10-2.12e-122.53e-150。第二方面，本发明实施例提供一种头戴显示光学设备，包括第一方面所述的头戴显示光学模组，以及显示面板；所述头戴显示光学模组位于所述显示面板的发光显示侧。本发明实施例提供的头戴显示光学模组中，显示面板显示的图像以各种不同角度光线的形式出射到显示面板外，由于本发明实施例中第一保护层内部的折射率至少沿着径向连续变化，从而显示面板发出的光线投射至第一保护层时，第一保护层不同位置具有不同的折射率，以与显示面板不同位置发射不同角度光线相配合。由于第一保护层的存在，第一保护层可以在需要大出射角度的位置将显示面板发出光线的出射角度放大到较大的程度，第一保护层可以在需要中等出射角度的位置将显示面板发出光线的出射角度放大到中等的程度，第一保护层可以在需要小出射角度的位置将显示面板发出光线的出射角度放大到较小的程度。总之，由于保护层中第一保护层的存在，可以降低对显示面板的设计要求，减小显示面板发出光线的出射角度，减小甚至避免显示面板的大视角色偏，以使用户观察到大视场角下的无色偏图像，还提高了光学效率。附图说明图1为本发明实施例提供的一种头戴显示光学模组的正视图；图2为图1中的第一保护层的俯视图；图3为本发明实施例提供的另一种头戴显示光学模组的正视图；图4为本发明实施例提供的另一种头戴显示光学模组的正视图；图5为本发明实施例提供的另一种头戴显示光学模组的正视图；图6为本发明实施例提供的另一种头戴显示光学模组的正视图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。头戴显示光学模组用于将显示面板显示的画面成像在用户观察侧，用户可以在用户观察侧观察到显示面板显示的图像。显示面板出射的光线最终以平行光投射至用户观察侧。由于投射至用户观察侧的光的入射角越大，用户观察图像的视场角也就越大，最终成像图像的尺寸越大，用户体验越好。用户观察图像的大视场角成像要求显示面板发出光线的出射角度较大，但是显示面板在大的出射角度下发出的光线存在色偏以及光学效率低的问题，即大视角色偏，这将导致用户观察到的图像质量，并且光学效率也较低。图1为本发明实施例提供的一种头戴显示光学模组的正视图，图2为图1中的第一保护层的俯视图，参考图1和图2，头戴显示光学模组包括保护层20和光学镜组30。光学镜组30位于显示面板10的发光显示侧。保护层20位于显示面板10与光学镜组30之间的光学路径上。显示面板10发出的光线首先投射至保护层20，然后经由光学镜组30投射至用户观察侧40。保护层20包括至少一个第一保护层21，第一保护层21的折射率在其内部至少沿着径向连续变化，径向u位于第一保护层21所在平面内，且由第一保护层21的中心l0指向第一保护层21的边缘。其中，第一保护层21的中心l0可以为第一保护层21的重心。示例性地，参考图1和图2，第一保护层21可以采用梯度折射率的材料。第一保护层21的折射率在其内部可以沿着径向u连续变化，或者，第一保护层21的折射率在其内部可以沿着径向u和轴向连续变化。其中，轴向为垂直于第一保护层21所在平面的方向，在图1和图2中，第一保护层21所在平面为x方向和y方向决定的平面，z方向为第一保护层21的轴向。本发明实施例提供的头戴显示光学模组中，显示面板显示的图像以各种不同角度光线的形式出射到显示面板外，由于本发明实施例中第一保护层内部的折射率至少沿着径向连续变化，从而显示面板发出的光线投射至第一保护层时，第一保护层不同位置具有不同的折射率，以与显示面板不同位置发射不同角度光线相配合。由于第一保护层的存在，第一保护层可以在需要大出射角度的位置将显示面板发出光线的出射角度放大到较大的程度，第一保护层可以在需要中等出射角度的位置将显示面板发出光线的出射角度放大到中等的程度，第一保护层可以在需要小出射角度的位置将显示面板发出光线的出射角度放大到较小的程度。总之，由于保护层中第一保护层的存在，可以降低对显示面板的设计要求，减小显示面板发出光线的出射角度，减小甚至避免显示面板的大视角色偏，以使用户观察到大视场角下的无色偏图像，还提高大视角下光线的光学效率，提高能量利用率。需要说明的是，本发明实施例中第一保护层可以采用梯度折射率的材料，具有梯度折射率的第一保护层应用于头戴显示领域(包括虚拟现实和增强现实)，并非应用于其他
技术领域：
。梯度折射率的第一保护层起到的作用是，与显示面板不同位置发射不同角度光线相配合，对不同位置处不同角度光线进行不同程度的折射(发散)。具有梯度折射率的第一保护层不同于光学领域的梯度折射率透镜，现有梯度折射率透镜往往起到类似于凸透镜的光线汇聚作用，或者起到类似于凹透镜的光线发散作用。现有梯度折射率透镜为存在固定焦点的设计，而本申请中，第一保护层并非为了实现凸透镜或者凹透镜的功能，也就是说，本申请中第一保护层的设计目的、原理与现有梯度折射率透镜不同。示例性地，参考图1和图2，在显示面板10中心发出的光线的出射角度较小，在显示面板10边缘发出的光线的出射角度较大。第一保护层21的折射率在其内部可以沿着径向u逐渐增大。可选地，参考图1和图2，第一保护层21的折射率n满足：n＝m0+m2·r2+m4·r4+j·z1。其中，r为与第一保护层21的中心l0的径向距离，z1为与第一保护层21的中心l0的轴向距离，轴向垂直于第一保护层21所在平面，m0、m2、m4和j为实数。需要说明的是，第一保护层21的折射率n满足的公式为与虚拟现实领域或增强现实显示领域相适配的公式。在其他实施方式中，第一保护层21的折射率n也可以是其他形式，不局限于这个公式的形式。可选地，n＝1.5+0.046r2。本发明实施例中，第一保护层21的折射率n主要与r2相关，第一保护层21的折射率n符合抛物线形式。本发明实施例中，公式n＝1.5+0.046r2可以由公式n＝m0+m2·r2+m4·r4+j·z1在m0＝1.5，m2＝0.046，m4＝0，以及j＝0时获取得到。可选地，n＝1.5+0.01r2+0.0004r4。本发明实施例中，第一保护层21的折射率n除了与r2相关外，还与r4相关。本发明实施例中，公式n＝1.5+0.01r2+0.0004r4可以由公式n＝m0+m2·r2+m4·r4+j·z1在m0＝1.5，m2＝0.01，m4＝0.0004，以及j＝0时获取得到。可选地，第一保护层21的折射率在其内部还沿着轴向连续变化。第一保护层21的折射率n满足：n＝1.5+0.005r2+0.0001r4+0.003z1。本发明实施例中，第一保护层21的折射率n除了与r2、r4相关外，还与轴向相关。本发明实施例中，公式n＝1.5+0.005r2+0.0001r4+0.003z1可以由公式n＝m0+m2·r2+m4·r4+j·z1在m0＝1.5，m2＝0.005，m4＝0.0001，以及j＝0.003时获取得到。图3为本发明实施例提供的另一种头戴显示光学模组的正视图，参考图3，保护层20包括至少两个第一保护层21。相对于一个第一保护层21而言，至少两个第一保护层21可以进一步降低显示面板10发出光的出射角度，进一步地减小显示面板10的大视角色偏。另一方面，在显示面板10发出光的出射角度固定的情况下，设置至少两个第一保护层21相对于一个第一保护层21而言，可以降低对第一保护层21的折射率变化要求，扩大第一保护层21的可选择材料范围，降低第一保护层21的设计难度。图4为本发明实施例提供的另一种头戴显示光学模组的正视图，参考图4，保护层20还包括至少一个第二保护层22，第二保护层22内部任意两个位置处具有相同的折射率。也就是说，第二保护层22的折射率在各个位置处均相同，不发生渐变。至少一个第二保护层22位于显示面板10与至少一个第一保护层21之间。即，第二保护层22位于显示面板10与第一保护层21之间。示例性地，参考图4，第二保护层22可以为平行玻璃板，第二保护层22例如可以为贴附在显示面板10出光侧的保护盖板。可选地，参考图1，光学镜组30包括第一凸透镜32、曲面镜31和半透半反组件33，曲面镜31位于半透半反组件33远离用户观察侧40的一侧，且半透半反组件33位于第一凸透镜32与曲面镜31之间的光学路径上。第一凸透镜32位于保护层20与半透半反组件33之间。示例性地，参考图1，显示面板发出的光线经过保护层20后，穿过第一凸透镜32，投射至半透半反组件33，被半透半反组件33反射至曲面镜31，然后被曲面镜31反射后，再次投射至半透半反组件33，然后穿过半透半反组件33，并投射至用户观察侧40。示例性地，参考图1，在一可行的实施方式中，曲面镜31可以为反射镜，头戴显示光学模组为虚拟现实模组。在另一可行的实施方式中，曲面镜31可以为半透半反镜，半透半反镜还可以透过环境光至用户观察侧，头戴显示光学模组为增强现实模组。可选地，参考图1，曲面镜31包括第一非球面310，第一非球面310可以为曲面镜31朝向半透半反组件33一侧的表面。第一凸透镜32包括第二非球面320，第二非球面320例如可以为第一凸透镜32朝向半透半反组件33一侧的表面。第一非球面310和第二非球面320满足偶次非球面公式：其中，z2为非球面表面的轴向矢高，y为非球面表面的径向距离，k为圆锥系数，c为曲率，a,b,c,d,e,f为非球面系数；第一非球面310和第二非球面320满足：abcdef第一非球面2.62e-63.96e-8-1.97e-111.23e-1200第二非球面-9.33e-5-3.12e-74.13e-87.60e-1000。其中，2.62e-6等各个数值中的“e”表示10的次幂，例如2.62e-6等价于2.62*10-6。示例性地，参考图1，对于第一非球面310，x方向为第一非球面310的轴向，z方向为第一非球面310的径向。对于第二非球面320，x方向为第二非球面320的径向，z方向为第二非球面320的为轴向。表1第一种各个光学表面的设计参数表表1中对应的光学表面的设计参数对应于图1中所示头戴显示光学模组，且第一非球面310和第二非球面320满足：abcdef第一非球面2.62e-63.96e-8-1.97e-111.23e-1200第二非球面-9.33e-5-3.12e-74.13e-87.60e-1000。表1的表面序号一栏中的“obj”代表物面，“sto”代表用户观察侧40。表面序号一栏的“2、5、6、8、10、11”为虚拟表面，均对应于面型一栏中的“坐标断点”，“坐标断点”的作用为旋转坐标系。表面序号一栏的“3、4”表示半透半反组件33的两个表面，表面序号一栏的“7”表示第一非球面310，表面序号一栏的“9”表示被光线被第一非球面310反射后到达半透半反组件33临近第一非球面310一侧的表面，表面序号一栏的“12”表示第二非球面320，表面序号一栏的“13”表示第一保护层21的表面，表面序号一栏的“ima”表示像面，即显示面板10的发光显示面。表1中的“infinity”表示无穷大。沿光线传播方向上，曲率半径一栏正的数值表示曲率中心在表面靠近显示面板10一侧，负的数值代表曲率中心在表面靠近用户观察侧40一侧。材料一栏中“pmma”表示有机玻璃，“mirror”表示反射材料，材料一栏中的空格表示空气。厚度一栏中的数值为当前表面距离上一表面的距离。x倾斜和y偏心两栏为虚拟表面的参数栏。曲率半径、厚度、机械直径和y偏心对应的单位是mm。x倾斜这一栏对应的单位是度。可选地，参考图1，曲面镜31包括第一非球面310，第一非球面310可以为曲面镜31朝向半透半反组件33一侧的表面。第一凸透镜32包括第二非球面320，第二非球面320例如可以为第一凸透镜32朝向半透半反组件33一侧的表面。第一非球面310和第二非球面320满足偶次非球面公式：其中，z2为非球面表面的轴向矢高，y为非球面表面的径向距离，k为圆锥系数，c为曲率，a,b,c,d,e,f为非球面系数；第一非球面310和第二非球面320满足：abcdef第一非球面2.71e-64.01e-8-1.86e-112.13e-1200第二非球面-9.42e-5-3.23e-74.02e-86.55e-1000。表2第二种各个光学表面的设计参数表表2中对应的光学表面的设计参数对应于图4中所示头戴显示光学模组，且第一非球面310和第二非球面320满足：abcdef第一非球面2.62e-63.96e-8-1.97e-111.23e-1200第二非球面-9.33e-5-3.12e-74.13e-87.60e-1000。表2中各个栏目的含义、单位以及栏目中参数的含义与表1相同，在此不再赘述。图5为本发明实施例提供的另一种头戴显示光学模组的正视图，参考图5，光学镜组30包括第二凸透镜34和第一透镜组35，第一透镜组35位于第二凸透镜34与保护层20之间。显示面板10、保护层20、第一透镜组35和第二凸透镜34同光轴设置。其中，第一透镜组35可以包括一个或者多个透镜。可选地，参考图5，第二凸透镜34包括第三非球面330和第四非球面340，第四非球面340位于第三非球面330与第一透镜组35之间。第三非球面330和第四非球面340满足偶次非球面公式：其中，z2为非球面表面的轴向矢高，y为非球面表面的径向距离，k为圆锥系数，c为曲率，a,b,c,d,e,f为非球面系数；第三非球面和第四非球面满足：abcdef第三非球面7.93e-74.32e-93.38e-10-1.66e-122.01e-150第四非球面7.55e-6-5.18e-86.57e-10-2.12e-122.53e-150。图6为本发明实施例提供的另一种头戴显示光学模组的正视图，参考图6，第一透镜组35包括偏光片351、相位延迟片352、第三凸透镜353和选择性透反膜354。偏光片351、相位延迟片352、第三凸透镜353和选择性透反膜354沿着光轴方向且由用户观察侧40朝向显示面板10依次设置。示例性地，参考图6，偏光片351为反射性偏光片，相位延迟片352为四分之一波片。表3第三种各个光学表面的设计参数表表3中对应的光学表面的设计参数对应于图6中所示头戴显示光学模组，第三非球面330和第四非球面340满足：abcdef第三非球面7.93e-74.32e-93.38e-10-1.66e-122.01e-150第四非球面7.55e-6-5.18e-86.57e-10-2.12e-122.53e-150。表3中各个栏目的含义、单位以及栏目中参数的含义与表1相同，在此不再赘述。本发明实施例还提供一种头戴显示光学设备，包括上述任一实施例中的头戴显示光学模组以及显示面板。头戴显示光学模组位于显示面板的发光显示侧。可以理解的是，为了清晰起见，图1-图6中所示的头戴显示光学模组的示意图中还示意出了显示面板10以及用户观察侧40。由于头戴显示光学设备包括上述任一实施例中的头戴显示光学模组，因此具有上述头戴显示光学模组的有益效果，即：可以使用户观察到大视场角下的无色偏图像，还可以提高光学效率。注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。当前第1页1 2 3