緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)及頭戴顯示設(shè)備的制作方法

本實(shí)用新型屬于近眼顯示系統(tǒng)領(lǐng)域，更具體為一種緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)及頭戴顯示設(shè)備。

背景技術(shù)：

虛擬現(xiàn)實(shí)裝置可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，利用多源信息融合形成交互式的三維動(dòng)態(tài)視景，使用戶沉浸到該環(huán)境中。

在近眼顯示設(shè)備中，近眼顯示光學(xué)系統(tǒng)是核心組成部分。一般情況下，近眼顯示系統(tǒng)中虛擬現(xiàn)實(shí)顯示屏距離使用者的眼球10cm左右，通過特殊的光學(xué)裝置將圖像清晰地投射在人眼的視網(wǎng)膜上，在使用者眼前呈現(xiàn)出虛擬大幅畫像。由此應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)即是在看到虛擬圖像的同時(shí)也會看到現(xiàn)實(shí)場景。

對于目前虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示產(chǎn)品，由于目前屏幕分辨率的限制，VR顯示產(chǎn)品基本采用單鏡片成像，系統(tǒng)總長較長，光能利用率較低，整個(gè)系統(tǒng)較龐大，導(dǎo)致重量比較重，長時(shí)間佩戴會使用戶產(chǎn)生不適，嚴(yán)重影響用戶的體驗(yàn)，這也是VR目前沒有被廣泛接受的原因之一。因此，只有使用小尺寸屏幕和短的TTL才能達(dá)到要求，而小尺寸屏幕和短的TTL都要求目鏡具有短焦距。但鏡片的焦距越短，帶來的像差就會越多，單鏡片根本無法滿足設(shè)計(jì)要求，而使用多鏡片就會增加重量，同時(shí)鏡片組的整體厚度不一定會使TTL減小，且制造成本也會相應(yīng)增多，進(jìn)而導(dǎo)致市場售價(jià)也比較貴，普通人根本無法接受此價(jià)格，不利于市場的推廣及應(yīng)用。

目前，專利號為201610164110.0，201610059513.9和201610059528.5的三篇中國發(fā)明專利說明書均公開了短距離光學(xué)放大模組，其同樣是利用光路折疊原理實(shí)現(xiàn)縮短BFL，但是其均是將成像透鏡設(shè)置在第一相位延遲片和第二相位延遲片之間，這樣做的VR眼鏡可能會出現(xiàn)色差、雜散光，對成像質(zhì)量造成一定的影響；并且透鏡在后期可能還不方便調(diào)節(jié)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的一些缺陷，本實(shí)用新型第一個(gè)發(fā)明目的在于提供一種緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用屏幕發(fā)出的偏振光，通過偏振光在相位延遲器和偏振膜之間進(jìn)行光路折疊，具有超高的光能利用率，減小BFL的同時(shí)保證成像質(zhì)量，且使整個(gè)系統(tǒng)厚度縮小，重量降低，成像透鏡位于近眼端的設(shè)置方式還方便緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)的組成，降低制造難度的同時(shí)方便對成像透鏡的清洗和維護(hù)，方便對成像透鏡的拆裝，有利于市場的推廣及應(yīng)用。本實(shí)用新型的第二個(gè)發(fā)明目在于提供一種頭戴顯示設(shè)備，它應(yīng)用了緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)，同樣具有方便制造、短后工作距離及重量輕的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，有效提高使用者的沉浸感。

上述緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)和頭戴顯示設(shè)備技術(shù)上相互關(guān)聯(lián)，屬于同一個(gè)發(fā)明構(gòu)思。

為了實(shí)現(xiàn)上述第一個(gè)發(fā)明目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

一種緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)，包括顯示屏、相位延遲器、偏振膜及成像透鏡；成像透鏡在近眼端；

-所述顯示屏是發(fā)出偏振光的顯示屏；

-所述相位延遲器包括第一相位延遲器及第二相位延遲器；

-所述偏振膜包括第一偏振膜及第二偏振膜；

-第一相位延遲器、第二相位延遲器、第一偏振膜及第二偏振膜位于成像透鏡和顯示屏之間；

-所述顯示屏、第一相位延遲器、第一偏振膜、第二相位延遲器、第二偏振膜及成像透鏡自顯示屏所在的遠(yuǎn)眼區(qū)域向成像透鏡所在的近眼區(qū)域依次排列布置；

-顯示屏發(fā)出的偏振光向所述成像透鏡位置方向傳播，偏振光在第一相位延遲器的作用下在第一偏振膜處透射，透射的光線在第二相位延遲器的作用下在第二偏振膜處反射，反射的光線在第二相位延遲器的作用下在第一偏振膜處反射，反射的光線在第二相位延遲器的作用下透射，以使顯示屏發(fā)出的偏振光在所述相位延遲器和偏振膜之間進(jìn)行光路折疊，進(jìn)而過成像透鏡進(jìn)入到人眼中。

作為優(yōu)選，緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)的BFL小于等于20mm。

作為優(yōu)選，緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)的TTL距離小于等于25mm。

作為優(yōu)選，所述成像透鏡為菲涅爾鏡片，使用菲涅爾鏡片的緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)TTL的距離小于等于20mm。

作為優(yōu)選，偏振光偏振態(tài)與偏振膜偏振態(tài)相同時(shí)，其透射率在70％～99％之間；偏振光偏振態(tài)與偏振膜偏振態(tài)垂直時(shí)，反射率在70％～99％之間。

作為優(yōu)選，所述相位延遲器為用于改變光的偏振方向的波片或者旋光器，所述波片的相位延遲效率在70％～99％之間。

作為優(yōu)選，所述光路折疊方式如下：

-偏振光在第一相位延遲器的作用下旋轉(zhuǎn)90度，使得光與第一偏振膜偏振態(tài)相同，透射；

-透射的光線在第二相位延遲器的作用下，光線偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45度并與第二偏振膜垂直，在第二偏振膜處反射；

-反射的光線在第二相位延遲器的作用下，光線偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45度，使其偏振態(tài)與第一偏振膜偏振態(tài)垂直，反射；

-第一偏振膜處反射，反射的光線在第二相位延遲器的作用下，光線偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45度，在第二偏振膜處透射；

-經(jīng)過成像透鏡，入眼。

一種包含權(quán)上述的緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)的頭戴顯示設(shè)備，其特征在于：頭戴顯示設(shè)備包括頭戴支架，頭戴支架對應(yīng)于人眼位置設(shè)有安裝槽；緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)

進(jìn)一步的，頭戴顯示設(shè)備是單目單屏頭戴顯示設(shè)備，所述顯示屏的尺寸在2.5寸～3.8寸之間。

作為優(yōu)選，頭戴顯示設(shè)備是雙目頭戴顯示設(shè)備，所述顯示屏的尺寸在4.7寸～6.5寸之間。

本實(shí)用新型提供的緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)及頭戴顯示設(shè)備，最終使得VR眼鏡等產(chǎn)品價(jià)格低廉、可被普通人接受的一種產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)人人可以體驗(yàn)VR產(chǎn)品，同時(shí)利用光路折疊原理使整個(gè)系統(tǒng)厚度小、后工作距離短及整個(gè)系統(tǒng)重量輕等優(yōu)點(diǎn)。具體地：

(一)針對本實(shí)用新型緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)形式不同于市場上所采用近眼顯示系統(tǒng)，目前市場上通常是使用短焦距的目鏡來使系統(tǒng)厚度降低，但是其在使用過程中，由于鏡片的焦距越短，帶來的像差就越多，單鏡片根本無法滿足設(shè)計(jì)要求，然而使用多鏡片來消除像差，就會增加整個(gè)近眼顯示系統(tǒng)的重量，且多個(gè)鏡片的設(shè)置無法縮短BFL及TTL，本實(shí)用新型是使用相位延遲器及偏振膜，利用光路折疊原理，光能利用率高的同時(shí)，縮短了整個(gè)近眼顯示系統(tǒng)的后工作距離及減輕了整個(gè)系統(tǒng)的重量，其與現(xiàn)有的近眼顯示系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)更為緊湊，且未通過增加鏡片數(shù)量來消除像差，有效降低了制造成本，進(jìn)而降低了使用者的使用成本，有利于市場的推廣及應(yīng)用。

(二)針對本實(shí)用新型緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)，其將成像透鏡設(shè)置在近眼端，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可以減小色差，提高成像質(zhì)量；②減小雜散光對成像質(zhì)量的影響，提升使用者的沉浸感；③設(shè)置在近眼端，與顯示屏相對的對立面，方便對顯示屏或者透鏡位置的調(diào)節(jié)，以獲得更好的成像效果；④與將成像透鏡設(shè)置在第一相位延遲片和第二相位延遲片之間相比，其制造過程更加簡單，方便VR眼鏡的制造，降低制造成本，進(jìn)而降低使用者的使用成本，有利于市場的推廣及應(yīng)用。⑤FOV可以做到120°，跟目前頭盔最大視場角一樣，且邊緣視場相對清晰，色差小。

(三)針對本實(shí)用新型的頭戴顯示設(shè)備，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)本實(shí)用新型的頭戴顯示設(shè)備，通過使用上述所述的緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)，使得頭戴顯示設(shè)備整體結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，方便使用者的佩戴和使用。

2)本實(shí)用新型的頭戴顯示設(shè)備，其利用光路折疊原理，不需增加其他鏡片來消除像差，降低了制造成本，有極高的量產(chǎn)性，可以滿足大眾使用。

3)集成了目前VR鏡片所有成像優(yōu)點(diǎn)，不使用半透膜，達(dá)到了縮小系統(tǒng)長度的目的。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例中緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中現(xiàn)有技術(shù)中的VR光路圖；

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例中現(xiàn)有技術(shù)中的VR光路圖；

圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例中緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)的光路圖；

圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例中菲涅耳鏡片的光路圖；

圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例中鏡片光學(xué)性能效果中的MTF曲線圖；

圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例中鏡片光學(xué)性能效果中的場曲和畸變示意圖；

圖8為為本實(shí)用新型實(shí)施例中鏡片光學(xué)性能效果中的點(diǎn)列圖；

圖9為本實(shí)例中頭戴顯示設(shè)備單目單屏的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本實(shí)例中頭戴顯示設(shè)備雙目單屏的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下是對本實(shí)用新型技術(shù)方案的舉例詳細(xì)說明，不能作為本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限定。

實(shí)施例1

如圖1至圖10所示，一種緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)，包括顯示屏1、相位延遲器、偏振膜及成像透鏡6；成像透鏡6設(shè)置在近眼端，可以減小色差及雜散光對成像質(zhì)量的影響。顯示屏1是發(fā)出偏振光的顯示屏；相位延遲器包括第一相位延遲器2及第二相位延遲器4偏振膜包括第一偏振膜3及第二偏振膜5；第一相位延遲器2、第二相位延遲器4、第一偏振膜 3及第二偏振膜5位于成像透鏡6和顯示屏1之間；顯示屏1、第一相位延遲器2、第一偏振膜3、第二相位延遲器4、第二偏振膜5及成像透鏡6自顯示屏1所在的遠(yuǎn)眼區(qū)域向成像透鏡 6所在的近眼區(qū)域依次排列布置。成像透鏡6設(shè)置在相位延遲器和偏振膜的外側(cè)還方便對成像透鏡6的清洗和檢修，其在制造過程還降低了制造難度，進(jìn)而降低制造成本，有利于應(yīng)用該系統(tǒng)的VR眼鏡的推廣及應(yīng)用。

顯示屏1發(fā)出的偏振光向成像透鏡6位置方向傳播，偏振光在第一相位延遲器2的作用下在第一偏振膜3處透射，透射的光線在第二相位延遲器4的作用下在第二偏振膜5處反射，反射的光線在第二相位延遲器4的作用下在第一偏振膜3處反射，反射的光線在第二相位延遲器4的作用下透射，以使顯示屏6發(fā)出的偏振光在相位延遲器和偏振膜之間進(jìn)行光路折疊，進(jìn)而進(jìn)入到人眼中，利用偏振光在相位延遲器及偏振膜之間進(jìn)行光路折疊的方法來縮短BFL 及TTL，使整個(gè)系統(tǒng)的距離小于25mm，同時(shí)保證該系統(tǒng)的成像質(zhì)量，使整個(gè)系統(tǒng)輕量化。

第一偏振膜3和第二偏振膜5均是背眼面透射、近眼面反射偏振態(tài)偏振光的偏振反射片，顯示屏1顯示的光屬于偏振態(tài)范圍內(nèi)的偏振光。

偏振膜具有如下要求：偏振光偏振態(tài)與偏振膜偏振態(tài)相同時(shí)，其透射率在70％～99％之間；偏振光偏振態(tài)與偏振膜偏振態(tài)垂直時(shí)，反射率在70％～99％之間，其透射效率與反射效率均比較高，使用效果好。

相位延遲器為用于改變光的偏振方向的波片或者旋光器，都可達(dá)到相同的效果，可根據(jù)自身需要來選擇，選取的波片的相位延遲效率通常在70％～99％之間。

成像透鏡6可為菲涅爾鏡片，則緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)的厚度可進(jìn)一步縮小，其厚度可小于20mm，基本小于一般的VR單透鏡厚度(非球面透鏡)。菲涅爾鏡片的焦距在 25mm～70mm之間。

如圖2和圖3所示，傳統(tǒng)的近眼顯示光路圖，顯示屏1發(fā)出的光直接通過成像透鏡6放大后進(jìn)入人眼，其同時(shí)具有BFL和TTL較長的問題，使得整個(gè)近眼顯示系統(tǒng)以及虛擬現(xiàn)實(shí)(VR) 頭盔產(chǎn)品的外形尺寸都比較大，質(zhì)量比較重，嚴(yán)重影響用戶的體驗(yàn)，這也是VR目前沒有被廣泛接受的原因之一。因此，只有使用小尺寸顯示屏1和短的TTL才能達(dá)到要求，而小尺寸顯示屏1和短的TTL都要求成像透鏡6具有短焦距。但成像透鏡6的焦距越短，帶來的相差就會越多，單鏡片根本無法滿足設(shè)計(jì)要求，而使用多鏡片就會增加重量，同時(shí)使用多個(gè)鏡片，以鏡片組的形式，其整體厚度不一定會使TTL減小。

如圖4所示，本實(shí)用新型的光路圖為：

(1)顯示屏1發(fā)出的光線向成像透鏡6所在方向傳播，然后經(jīng)過第一相位延遲器2，光線偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°后射出，出射的光線跟第一偏振膜3的偏振態(tài)相同，故透射過去；

(2)透射的光線繼續(xù)傳播打到第二相位延遲器4上，光線偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°后射出，此時(shí)的光線的偏振態(tài)跟第二偏振膜5的偏振態(tài)垂直，故反射回來；

(3)反射的光線經(jīng)過第二相位延遲器4后偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°后射出，出射的光線跟第一偏振膜3的偏振態(tài)垂直，故反射回來；

(4)反射的光線再一次經(jīng)過第二相位延遲器4，光線偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°，出射的光線的偏振態(tài)跟第二偏振膜5的偏振態(tài)相同，故透射過去，然后經(jīng)過成像透鏡6放大后射出。

如圖6、圖7和圖8所示，本實(shí)施例成像透鏡系統(tǒng)的MTF曲線圖、場曲畸變曲線圖和點(diǎn)列圖可以看出，它們均在現(xiàn)有的單鏡片目鏡之上，MTF值越接近1，成像透鏡的性能越優(yōu)異。

實(shí)施例2

如圖9和圖10所示，一種頭戴顯示設(shè)備，包括使用上述所述的緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)，還包括頭戴支架71，頭戴支架71對應(yīng)于人眼位置設(shè)有成像透鏡安裝槽72，成像透鏡 6、相位延遲器及偏振膜安裝在成像透鏡安裝槽72內(nèi)，成像透鏡6對應(yīng)顯示屏1。

為了如手機(jī)及視屏播放器等帶有顯示屏1的設(shè)備能夠較好的安裝在頭戴支架上，還可以在頭戴支架上設(shè)置顯示屏安裝槽，可以將手機(jī)、視屏播放器等放置在顯示屏安裝槽內(nèi)，顯示屏1一側(cè)對準(zhǔn)人眼位置放置，還可以在頭戴支架51上設(shè)置可活動(dòng)的夾板夾。

其中屏幕的大小決定整個(gè)系統(tǒng)的厚度，對于消費(fèi)類頭戴顯示設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)越薄越好，而屏幕越小，視場角越小，因此對于產(chǎn)品需要在屏幕尺寸、系統(tǒng)厚度、視場角之間平衡。對于單目單屏，屏幕的大小一般滿足：顯示屏1的尺寸在2.5寸～3.8寸之間；對于雙目單屏，屏幕的大小一般滿足：顯示屏1的尺寸在4.7寸～6.5寸之間。

本實(shí)用新型提供的緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用屏幕發(fā)出的偏振光，通過偏振光在相位延遲器和偏振膜之間進(jìn)行光路折疊，具有超高的光能利用率，減小BFL(后工作距離)的同時(shí)保證成像質(zhì)量，且使整個(gè)系統(tǒng)厚度縮小，重量降低，成像透鏡位于近眼端的設(shè)置方式還方便緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)的組成，降低制造難度的同時(shí)方便對成像透鏡的清洗和維護(hù)，方便對成像透鏡的拆裝，有利于市場的推廣及應(yīng)用。還提供一種頭戴顯示設(shè)備，它應(yīng)用了緊湊式虛擬現(xiàn)實(shí)近眼顯示系統(tǒng)，同樣具有低成本、短后工作距離及重量輕的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，有效提高使用者的沉浸感。

盡管參照前述實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換,凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。