头戴显示设备的制作方法

1.本技术涉及显示技术领域，特别是涉及一种头戴显示设备。


背景技术：

2.在头戴显示设备，例如虚拟现实(virtual reality，vr)显示设备中，通常采用增加光学镜片数量的方式补偿光程差所产生的像差，而增加光学镜片数量会使头戴显示设备的体积增加，导致头戴显示设备的穿戴舒适度降低。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对目前补偿像差的方式会导致头戴显示设备的穿戴舒适度降低的问题，提供一种头戴显示设备。
4.根据本技术的一个方面，提供一种头戴显示设备，包括：显示屏；以及透镜组，所述透镜组设于所述显示屏的出光侧，以将所述显示屏显示的画面透射至用户的眼睛；其中，所述显示屏的出光侧表面设置为曲面。
5.在一些实施例中，所述显示屏的出光侧表面构造为朝向所述透镜组凸起的弧面。
6.在一些实施例中，所述透镜组包括饼干透镜；或者，所述透镜组包括菲涅尔透镜。
7.在一些实施例中，所述显示屏的出光侧表面的曲率c满足条件：0＜c≤0.01。
8.在一些实施例中，所述显示屏的出光侧表面构造为背离所述透镜组凹陷的弧面。
9.在一些实施例中，所述透镜组包括饼干透镜。
10.在一些实施例中，所述显示屏的出光侧表面的曲率c满足条件：0＜c≤0.02。
11.在一些实施例中，所述透镜组包括沿所述显示屏的出光方向依次设置的第一透镜和第二透镜。
12.在一些实施例中，所述显示屏的出光侧表面的曲率c满足条件：0＜c≤0.01。
13.在一些实施例中，所述头戴显示设备还包括外壳，所述外壳具有用于与用户眼睛相对设置的侧壁；所述透镜组与所述侧壁之间的间距为10mm～12mm。
14.本技术实施例提供的头戴显示设备，通过将显示屏的出光侧表面设置为曲面，降低了非近轴光线和近轴光线的光程差，减小像差，从而在不增加头戴显示设备体积的情况下，提升透过透镜组输出至用户眼睛的画面的解析度，实现在保障穿戴舒适度的同时提升画面解析度。
附图说明
15.图1示出了本技术一实施例中头戴显示设备的光路原理示意图；
16.图2示出了本技术另一实施例中头戴显示设备的光路原理示意图；
17.图3示出了本技术另一实施例中头戴显示设备的光路原理示意图；
18.图4示出了本技术另一实施例中头戴显示设备的光路原理示意图。
19.附图标号说明：
20.10：
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显示屏
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231：
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第一透镜
21.20：
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透镜组
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232：
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第二透镜
22.21：
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饼干透镜
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30：
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侧壁
23.22：
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菲涅尔透镜
具体实施方式
24.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术。但是本技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似改进，因此本技术不受下面公开的具体实施例的限制。
25.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
26.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
27.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
28.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
29.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
30.头戴显示设备利用近眼显示技术实现了沉浸式的影院效果，将便携式家庭影院的概念产品化。用户通过佩戴各种头戴显示设备，向眼睛发送光学信号，可以实现虚拟现实(vr)、增强现实(ar)、混合现实(mr)等不同效果。
31.在头戴显示设备中，为了保障用户长时间穿戴舒适，需要对产品进行轻量小型化设计。其中，光学镜片数量少且光路短的放大镜架构是个经济实惠的显示方案。然而，若光
学镜片数量太少，则难以补偿光程差所产生的相差，导致形成的影像解析度较低。目前，相关技术中通常采用增加折射界面、增加反射界面、增加光学元件等方法提升解析度，但这些方法均会导致产品体积增加，不符合轻量化设计需求。
32.需要注意，人眼的视野范围总共230
°
，其中，中间视场(central field)
±
30
°
范围的视野清晰度高于余光(peripheral region)
±
60
°
范围的视野清晰度，且人眼的中间视场中又以中央窝(foveal region)
±
10
°
的解析能力最高。考虑到头戴显示设备是将影像放大呈现给人眼观看的，因此，针对设备显示的画面中与人眼解析能力较高的中间视场相对应的区域进行优化，能够使设备的影像像差更加符合人眼解析能力特性。
33.基于此，本技术提供一种头戴显示设备，将显示器设置为曲面显示器，通过将曲面自由度放至显示器，补偿光程差，达到消除像差的效果，从而提升画面中间视场的解析度，同时又不会增加设备的体积，符合轻量化设计需求，从而提升穿戴舒适度。
34.为便于更好地理解，在详细展开之前，对一些内容进行说明：
35.光程：光程(optical path)是光学领域的一个基础概念，其定义为光传播的几何路程与介质折射率的乘积。
36.光程差：光程差(optical path difference)顾名思义，即为两束光光程之差，是将光传播的几何距离与光波的振动的性质整合在一起的重要物理量，在几何光学和波动光学中光的干涉、衍射及双折射效应等的推导过程中都具有重要意义。
37.像差：像差全称色像差(aberration)，是指实际光学系统中，由非近轴光线追迹所得的结果和近轴光线追迹所得的结果不一致，与高斯光学(一级近似理论或近轴光线)的理想状况的偏差。像差主要分为球差、彗差、场曲、像散、畸变、色差以及波像差。
38.解析度：分辨率又称解析度、解像度，可以细分为显示分辨率、图像分辨率、打印分辨率和扫描分辨率等。分辨率是度量位图图像内数据量多少的一个参数。通常表示成每英寸像素(pixel per inch，ppi)和每英寸点(dot per inch，dpi)。
39.图1示出了本技术一实施例中头戴显示设备的光路原理示意图。
40.参阅图1，本技术一实施例提供了头戴显示设备，包括显示屏10以及透镜组20，透镜组20设于显示屏10的出光侧，以将显示屏10显示的画面透射至用户的眼睛；其中，显示屏10的出光侧表面设置为曲面。
41.本技术实施例提供的头戴显示设备，通过将显示屏10的出光侧表面设置为曲面，降低了非近轴光线和近轴光线的光程差，减小像差，从而在不增加头戴显示设备体积的情况下，提升透过透镜组20输出至用户眼睛的画面的解析度，实现在保障穿戴舒适度的同时提升画面解析度。
42.图2示出了本技术另一实施例中头戴显示设备的光路原理示意图。
43.参阅图1和图2，在一些实施例中，显示屏10的出光侧表面构造为朝向透镜组20凸起的弧面。基于此，由于显示屏10的出光侧表面为弧面，能够降低非近轴光线和近轴光线的光程差，从而减小像差，提升画面的解析度。
44.可选地，参阅图1，透镜组20包括饼干透镜(pancake lens)21。通过饼干透镜21对光路进行折叠，从而实现在占用空间较小的情况下，获得更多的折射界面或者反射界面，从而在减小头戴显示设备体积的同时，提升画面的解析度。透镜组20采用pancake式折叠光路投射显示屏10显示的画面，基于pancake技术方案的头戴显示设备，图像源进入半反半透功
能的镜片之后，光线在镜片、相位延迟片以及反射式偏振片之间多次折返，最终从反射式偏振片射出，能够减小头戴显示设备的厚度，使其做得更紧凑，整体体积也会更小。在其他实施例中，也可采用多个透镜组20合的方式折叠光路。
45.在一些实施例中，饼干透镜21包括依序设置的偏振件、第一偏振转换元件、部分透射部分反射元件、透镜、第二偏振转换元件和偏振分光元件。
46.其中，偏振件优选吸收型偏光片，比如显示行业常用的材质为聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，pva)的偏光片。
47.第一偏振转换元件具体可以是四分之一波片(quarter wave plate，qwp)，该四分之一波片能够对入射偏振光在快慢轴分量间产生四分之一波长的延迟量，通常情况下，该四分之一波片的光轴与偏光片的透过轴的方位角为40
°
～50
°
，作为优选四分之一波片的光轴与偏光片的透过轴的方位角为44
°
～46
°
。
48.部分透射部分反射元件可以与透镜分离设置，也可以与透镜贴合设置，作为优选，部分透射部分反射元件与透镜贴合设置。例如，部分透射部分反射元件具体可以是镀在透镜的朝向显示屏10的一侧表面的分光膜，进一步地，分光膜为半透半反膜，即50％反射50％透射。透镜带有一定屈光度，可以为平凸透镜、双凸透镜或者焦距为正的弯月透镜，为了达到更好的像差控制，优选双凸形状的透镜，即透镜朝向第一偏振转换元件的表面和透镜朝向第二偏振转换元件的表面均为凸面。当部分透射部分反射元件贴合设置在透镜朝向屏幕一侧的表面时，贴合后的结构透过率为30％～70％，例如，透过率具体可以是40％、45％、50％、55％、60％、65％。
49.第二偏振转换元件具体可以是四分之一波片(quarter wave plate，qwp)，第二偏振转换元件的材质可以与第一偏振转换元件的材质相同或相异。作为优选，第二偏振转换元件的材质可以与第一偏振转换元件的材质相同。第二偏振转换元件的光轴方向可以平行于第一偏振转换元件的光轴方向，或者垂直于第一偏振转换元件的光轴方向。
50.当第二偏振转换元件的光轴方向平行于第一偏振转换元件的光轴方向时，偏振分光元件(polarization beam splitter，pbs)的透过轴与偏振件平行；当第二偏振转换元件的光轴方向垂直于第一偏振转换元件的光轴方向时，偏振分光元件的透过轴与偏振件垂直。通过这样配置，偏振分光元件可以反射直透的偏振光，从而达到光路折叠的效果。偏振分光元件可以选择布拉格型反射偏振器件，也可以选择金属线栅型(wire grid)反射偏振器件。
51.可选的，部分透射部分反射元件与透镜之间通过光学胶进行贴合。基于此，利用光学胶无色透明、光透过率大于或等于90％、胶结强度良好、可在室温或中温下固化、固化收缩小等特点，实现部分透射部分反射元件与透镜之间的良好胶接。具体地，光学胶的材质包括有机硅胶、丙烯酸型树脂、不饱和聚酯、聚氨酯、环氧树脂中的一者或多者。
52.在上述折叠光路结构中，主像光路的具体走向如下：显示屏10上像元的光经偏振件起偏为线偏，通过第一偏振转换元件后变为圆偏光，继续穿过第二偏振转换元件后再次变为线偏光，此时偏振方向与偏振分光元件的透过轴垂直，因而被反射，反射光到达部分透射部分反射元件时被第二次反射，同时由于反射带来的半波损失，圆偏光的手性发生翻转，导致该光线第二次穿过第二偏振转换元件后的偏振态与第一次穿过第二偏振转换元件后的偏振态正交，因此能够被偏振分光元件透过，从而形成主像。
53.进一步地，显示屏10的出光侧表面构造为朝向透镜组20凸起的弧面，透镜组20包括饼干透镜21，且显示屏10与饼干透镜21之间的间距为3mm～20mm，即显示屏10与透镜组20之间的间距较小，使得头戴显示设备的厚度能够进一步减小，从而更加符合轻量化的设计需求，提升用户的穿戴舒适度。
54.可选地，参阅图2，透镜组20包括菲涅尔透镜22。菲涅尔透镜(fresnel lens)又称螺纹透镜，其一侧表面为光面，另一侧表面刻录了由小到大的同心圆纹路(即菲涅尔带)。菲涅尔透镜22的材质通常为聚烯烃或玻璃。可以理解的是，使用普通的凸透镜时，光在介质的交界面折射，并在凸透镜内直线传播，由于凸透镜较厚，光在凸透镜内直线传播距离较长，会使光线衰减，导致出现边角变暗、模糊的现象。因此，若能去掉直线传播的部分，只保留发生折射的曲面，便能省下大量材料，同时达到相同的聚光效果，而菲涅尔透镜22就是采用这种原理，在镜片的一侧表面设置多个同心圆纹路(即菲涅尔带)，以达到凸透镜的效果。从剖面看，设有同心圆纹路的一侧表面具有多个锯齿形凹槽，中间部分是椭圆形弧线，任意相邻的两个锯齿的倾斜角度不同，但每一个锯齿均将光线集中在同一点，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个锯齿可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。这种透镜还能够消除部分球形像差。当投射光源投射平行光时，镜菲涅尔透镜22汇聚透射后能够保持图像各处亮度的一致。基于此，利用菲涅尔透镜22将显示屏10显示的画面透射至用户的眼睛，能够减小透镜组20的厚度，从而实现在减小头戴显示设备的整体体积的同时消除部分像差，即在保障用户穿戴舒适度的同时，提升画面解析度。
55.进一步地，显示屏10的出光侧表面构造为朝向透镜组20凸起的弧面，透镜组20包括菲涅尔透镜22，显示屏10与透镜组20之间的间距为10mm～30mm，即显示屏10与透镜组20之间的间距较小，使得头戴显示设备的厚度能够进一步减小，从而更加符合轻量化的设计需求，提升用户的穿戴舒适度。
56.在一些实施例中，显示屏10的出光侧表面构造为朝向透镜组20凸起的弧面，且显示屏10的出光侧表面的曲率c满足条件：0＜c≤0.01。基于此，能够降低非近轴光线和近轴光线的光程差，从而减小像差，提升画面的解析度。
57.图3示出了本技术另一实施例中头戴显示设备的光路原理示意图。图4示出了本技术另一实施例中头戴显示设备的光路原理示意图。
58.参阅图3和图4，在一些实施例中，显示屏10的出光侧表面构造为背离透镜组20凹陷的弧面，从而降低非近轴光线和近轴光线的光程差，减小像差，提升画面的解析度。
59.可选地，参阅图3，显示屏10的出光侧表面构造为背离透镜组20凹陷的弧面，透镜组20包括饼干透镜21，以在占用空间较小的情况下，获得更多的折射界面或者反射界面，从而在减小头戴显示设备体积的同时，提升画面的解析度。
60.进一步地，显示屏10的出光侧表面构造为背离透镜组20凹陷的弧面，透镜组20包括饼干透镜21，显示屏10与饼干透镜21之间的间距为3mm～20mm，使得显示屏10与透镜组20之间的间距较小，头戴显示设备的厚度能够进一步减小，从而更加符合轻量化的设计需求，提升用户的穿戴舒适度。
61.在一些实施例中，显示屏10的出光侧表面构造为背离透镜组20凹陷的弧面，透镜组20包括饼干透镜21，且显示屏10的出光侧表面的曲率c满足条件：0＜c≤0.02，从而降低非近轴光线和近轴光线的光程差，减小像差，提升画面的解析度。
62.参阅图4，在一些实施例中，显示屏10的出光侧表面构造为背离透镜组20凹陷的弧面，透镜组20包括沿显示屏10的出光方向依次设置的第一透镜231和第二透镜232。通过第一透镜231和第二透镜232对光路进行多次折射，使显示屏10显示的画面透射至用户的眼睛。
63.可选地，显示屏10的出光侧表面构造为背离透镜组20凹陷的弧面，透镜组20包括沿显示屏10的出光方向依次设置的第一透镜231和第二透镜232，显示屏10与第一透镜231之间的间距为3mm～20mm，从而保障头戴显示设备的体积较小，且画面解析度较高。
64.进一步地，显示屏10的出光侧表面构造为背离透镜组20凹陷的弧面，透镜组20包括沿显示屏10的出光方向依次设置的第一透镜231和第二透镜232，显示屏10与第一透镜231之间的间距为3mm～20mm，且显示屏10的出光侧表面的曲率c满足条件：0＜c≤0.01。基于此，能够降低非近轴光线和近轴光线的光程差，减小像差，提升画面的解析度。
65.在一些实施例中，透镜组20还包括第三透镜，从而增加折射界面，进而提升画面解析度。
66.在一些实施例中，头戴显示设备还包括外壳，外壳具有用于与用户眼睛相对设置的侧壁30；透镜组20与侧壁30之间的间距为10mm～12mm。基于此，显示屏10显示的画面经过透镜组20透射后，传播至侧壁30上供用户的眼睛观看，使用户能够观看到解析度较高的画面。
67.当图像从投射仪投射、反射或者以其他方式导向到用户的眼睛中时，图像可以视觉上占据的显示空间称为眼盒(eyebox)，并且可具有称为眼盒尺寸的尺寸。ar体验中的用户可看到跨越其整个视场的眼盒中的虚拟对象，或者眼盒可以更小，使得眼盒覆盖用户的视场的一部分。用户可观看的虚拟对象可包括对数字屏幕显示器上示出的对象常见的图像属性，包括分辨率、亮度、颜色和其他可见特征。
68.眼盒的大小决定眼睛可以在最佳位置向上、下、左、右移动而不影响图像显示质量的距离。以vr光学成像系统为例，若接收眼与输出区域的中心对齐，则能够获得清晰度高、成像质量佳的图像。而当眼睛朝向侧面或者上下移动时，在每个方向上的某点处，成像质量将会变差，直至出现图像扭曲、显色错误、甚至不显示内容等情况。
69.在本技术一实施例中，头戴显示设备的眼盒的尺寸为8mm
×
8mm。基于此，用户能够获得较佳的视觉体验。
70.在一些实施例中，头戴显示设备包括外壳、显示屏、透镜组及控制组件，透镜组、显示屏及控制组件设于外壳内。控制组件的结构及原理可以参考相关技术中头戴显示设备的控制组件的结构及原理，例如，在一具体实施例中，控制组件具体可以是相关技术中头戴显示设备的控制主板，该控制主板能够处理电子信号并发送控制指令，在另一具体实施例中，控制组件也可以是与头戴显示设备相连接的主机的核心处理器，本技术对此并不限制，能够处理信号发送指令即可。
71.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
72.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。