合镜。下面结合图3~图7介绍采用 上述实施例光学放大组合镜所设计的双目头戴式虚拟现实显示设备的实施例。
[0037] 参见图3,为双目头戴式虚拟现实显示设备的一种光学系统结构示意图，包括图像 显示源1，左右两组光学放大镜组均由一片本发明实施例所述的光学放大组合镜2构成，图 像显示源1显示的光信息，经光学放大组合镜2放大后的投影虚像由人眼接收。图像显示 源1可以是平面屏，也可以是弧面屏，优选弧面屏。图像显示源1可以是左右各一块屏，也 可以是一块整屏分左右两部分显示。
[0038] 参见图4,为双目头戴式虚拟现实显示设备的另一种光学系统结构示意图，包括左 右图像显示源11和12和左右两组光学放大镜组，每组光学放大镜组包括两片沿光路叠放 的组合镜21和31 (本实施例所述的组合镜即前述实施例所述的光学放大组合镜），组合镜 21和31均由中心区域和边缘区域构成，中心区域为凸透镜或组合凸透镜，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；边缘区域为向人眼内凹的弧面基底的菲涅 尔透镜，中心区域对应主视场成像，边缘区域对应边缘视场成像，两组合镜的中心区域透镜 的组合焦距与两合镜边缘区域的组合焦距差小于10毫米。本发明实施例双目头戴式虚拟 现实显示设备，采用两组组合镜可以使得中心区域凸透镜组合后的透镜组的光学物方主面 与光学像方主面的位置和边缘区域弧面基底菲涅尔透镜组合后的透镜组的光学物方主面 和光学像方主面的位置基本一致；同时中心凸透镜组合后的透镜组的焦距与边缘区域弧面 基底菲涅尔透镜组合后的透镜组的焦距相当（两者之差不超过l〇mm)，如此可确保图像显 示源经中心凸透镜和边缘弧面基底菲涅尔透镜投影放大后显示图像投影距离和显示尺寸 相当。
[0039] 两组组合镜的边缘区域采用弧面基底的菲涅尔透镜，弧面凹向朝向人眼并在一定 程度上覆盖人眼的视域范围；头部不动，眼球转动，人眼的水平视域范围参考下图，单眼的 水平视野范围约在94°~104°，因人而稍有差异。因此，每片组合镜外边缘与其对应人眼 中心点的连线，与该眼中心视线夹角0 (如图5中的夹角0)的范围设置为70度~100度， 可基本覆盖人眼视野，特别是当该夹角范围设置为90°~100°时，可完全覆盖人眼视野。 图5中，OLK直线为左眼组合镜外边缘与左眼中心点的连线，OLC为左眼中心视线，0为这 两条直线的夹角。
[0040] 图4中，组合镜2、3的中心区域和边缘区域可以为一体注塑成型；也可以分别为单 独元件，通过光学胶合或机械组合方式结合在一起。当组合镜2、3的中心区域和边缘区域 分别为单独原件时，中心区域透镜的边缘轮廓优选为锥型，边缘凹面菲涅尔透镜的内径形 状也为锥型，与中心区域透镜边缘匹配。从人眼视觉角度看，锥形的边界轮廓可最大程度的 削弱中心区域与边缘区域交接边界带来的视觉干扰，另一方面可最大化利用主、附镜的口 径，提高光的透过率，如图6(a)、图6(b)。图6(a)为中心区域透镜边缘轮廓为圆形时，图像 显示源发出的光线经两组合镜的成像光路图；图6(b)为中心区域透镜边缘轮廓为锥型时， 图像显示源发出的光线经两组合镜的成像光路图，从这两个图可以清楚的发现，中心区域 透镜边缘轮廓为锥型时，交接边界视觉干扰明显较小。
[0041] 在图4实施例中，不管组合镜中心区域和边缘区域是一体注塑成型，还是两个单 独原件胶合而成，为了进一步解决中心区域和边缘区域拼接线问题，均可将组合镜边缘区 域弧面基底的菲涅尔透镜的曲率半径与中心区域透镜近眼侧光学面的曲率半径设计为一 致。
[0042] 在图4实施例中，若图像显示源采用2块5英寸1080pIXD显示屏作为图像显示的 载体（如图4中的图像显示源11和12)，则双目可达到1920*1080像素的分辨率。组合镜 2和3中心区域结构标注图参见图7(a)，边缘区域标注参见图7(b)。当组合镜2的结构参 数满足表1，组合镜3的结构参数满足表2,且组合镜2和组合镜3中心区域透镜的组合透 镜的焦距为40. 8mm，边缘菲涅尔透镜的组合焦距为43mm时，通过组合中心区域观察到的投 影画面的水平显示视角约为90度，通过组合边缘菲涅尔透镜可视的投影画面的水平显示 视角约为176度。
[0043] 其中，表1和表2中a表示：中心区域透镜锥型边缘的倾斜度，即锥型边缘与中心 区域透镜光轴线的夹角。
[0044] 表 1 :
[0045]
[0046]
[0047]
[0048] 本发明光学放大组合镜，采用传统透镜与弧面基底的菲涅尔透镜的结合，运用于 头戴式虚拟现实显示设备上，既能保证中心画质，又同时扩大了人眼的边缘视野（能让用 户感觉屏幕无边界），增强了使用者的沉浸感；另外由于弧面基底的菲涅尔透镜的使用，很 大程度上减小了头戴式虚拟现实显示设备的重量，减轻了重量对佩戴造成的不适感。
[0049] 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。
[0050] 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。
[0051] 本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明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。
【主权项】
1. 一种光学放大组合镜，在头戴式虚拟现实显示设备中使用，其特征在于，所述光学放 大组合镜包括中心区域和边缘区域，中心区域为凸透镜或组合凸透镜，边缘区域为向人眼 内凹的弧面基底的菲涅尔透镜，中心区域对应主视场成像，边缘区域对应边缘视场成像。2. 如权利要求1所述的光学放大组合镜，其特征在于，中心区域与边缘区域之间的焦 距差小于10毫米。3. 如权利要求3所述的光学放大组合镜，其特征在于，边缘区域弧面基底的菲涅尔透 镜的曲率半径与中心区域透镜近眼侧光学面的曲率半径一致。4. 如权利要求3所述的光学放大组合镜，其特征在于，所述凸透镜表面刻有用于消色 差的纹路。5. 如权利要求2至4任一项所述的光学放大组合镜，其特征在于，中心区域和边缘区域 为一体注塑成型。6. 如权利要求1至4任一项所述的光学放大组合镜，其特征在于，中心区域和边缘区域 分别为单独元件，中心区域透镜的边缘轮廓为锥型，边缘凹面菲涅尔透镜的内径形状是与 中心区域透镜边缘匹配的锥型，中心区域透镜和边缘区域透镜通过光学胶合或机械组合方 式结合在一起。7. 双目头戴式虚拟现实显示设备，包括图像显示源和左右两组光学放大镜组，图像显 示源显示的光信息，经光学放大镜组放大后的投影虚像由人眼接收，其特征在于，每组光学 放大镜组包括至少一片权利要求1至6任一项所述的光学放大组合镜。8. 双目头戴式虚拟现实显示设备，包括图像显示源和左右两组光学放大镜组，图像显 示源显示的光信息，经光学放大镜组放大后的投影虚像由人眼接收，其特征在于：每组光学 放大镜组包括两片沿光路叠放的组合镜，每片组合镜由中心区域和边缘区域构成，中心区 域为凸透镜或组合凸透镜，边缘区域为向人眼内凹的弧面基底的菲涅尔透镜，中心区域对 应主视场成像，边缘区域对应边缘视场成像，两组合镜的中心区域透镜的组合焦距与两合 镜边缘区域的组合焦距差小于10毫米。9. 如权利要求8所述的双目头戴式虚拟现实显示设备，其特征在于，每片组合镜外边 缘与其对应人眼中心点的连线，与该眼中心视线夹角范围为70度~100度。10. 如权利要求9或10所述的双目头戴式虚拟现实显示设备，其特征在于，每片组合镜 的中心区域和边缘区域分别为单独元件，中心区域透镜的边缘轮廓为锥型，边缘凹面菲涅 尔透镜的内径形状是与中心区域透镜边缘匹配的锥型，中心区域透镜和边缘区域透镜通过 光学胶合或机械组合方式结合在一起。11. 如权利要求10所述的双目头戴式虚拟现实显示设备，其特征在于，每片组合镜边 缘区域弧面基底的菲涅尔透镜的曲率半径与中心区域透镜近眼侧光学面的曲率半径一致。12. 如权利要求9或10所述的双目头戴式虚拟现实显示设备，其特征在于，每片组合镜 的中心区域和边缘区域为一体注塑成型，其边缘区域弧面基底的菲涅尔透镜的曲率半径与 中心区域透镜近眼侧光学面的曲率半径一致。
【专利摘要】本发明公开了一种应用于头戴式虚拟现实显示设备中的光学放大组合镜，包括中心区域和边缘区域，中心区域为凸透镜或组合凸透镜，边缘区域为向人眼内凹的弧面基底的菲涅尔透镜，中心区域对应主视场成像，边缘区域对应边缘视场成像。相应的，本发明还公开了运用该组合镜的头戴式虚拟现实设备，采用传统透镜与弧面基底的菲涅尔透镜的结合，既能保证中心画质，又同时扩大了人眼的边缘视野。
【IPC分类】G02B27/01, G02B25/00
【公开号】CN104991340
【申请号】CN201510349605
【发明人】不公告发明人
【申请人】任召全
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年6月23日