專利名稱：一種頭盔顯示器的光學(xué)成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種頭盔顯示器，尤其涉及到一種能夠調(diào)焦、提高光學(xué)利用率、減少成像畸變及像差現(xiàn)像的頭盔顯示器的光學(xué)成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
頭盔顯示器(Head Mounted Display)簡稱HMD，它能將小型二維顯示器所產(chǎn)生的圖象經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)放大，成幾尺之外數(shù)十英寸的屏幕效果。它主要由圖像信息顯示系統(tǒng)、光學(xué)成像系統(tǒng)、電路控制與連接系統(tǒng)、頭盔結(jié)構(gòu)及配重系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)等組成。在這五部分中，以光學(xué)成像系統(tǒng)最為關(guān)鍵，因為用戶是通過光學(xué)成像系統(tǒng)觀察圖像，如果設(shè)計不合理，圖像會產(chǎn)生諸如成像畸變、亮度不夠等問題，用戶會感到惡心或者眼睛很快就會疲勞。
光能利用率是影響光學(xué)成像系統(tǒng)整體性能的一個重要因素。其中，光能利用率為到達人眼的光能與入射光能量的比值，它反映了頭盔顯示器的光學(xué)成像系統(tǒng)對光的吸收或反射的性能，也就衡量了入射光在到達人眼之前損耗的多少。目前已經(jīng)商品化的頭盔顯示器為i-O Display Systems公司生產(chǎn)的i-glasses，這是一款增強現(xiàn)實的頭盔顯示器，其中光學(xué)成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理為從微型液晶顯示器1上發(fā)出的光，經(jīng)過自由曲面棱鏡2，然后由透射面3進入組合棱鏡，在半反半透光學(xué)面8上有1/2的光能被反射，同時有1/2的光能透射，這部分光能做為損耗光能。被反射的光能到達另一半反半透面7，再次損耗一半的能量，另一半再次反射到半反半透面8上，透射部分經(jīng)過透射面6到達目鏡12進入人眼，這部分光能做為有效利用的光能。理想情況下，即忽略其他透射面產(chǎn)生的損耗情況下，人眼接受的光能只有(1/2)*(1/2)*(1/2)＝1/8。這種方法導(dǎo)致光能損耗過多，圖像將會黑暗難辨，很多細節(jié)可能會丟失，人眼觀察久了很容易疲累。而光線出射組合棱鏡后呈會聚趨勢，人眼接收該類光線圖象會比較吃力，時間一長眼睛也會疲勞不堪。
針對這種情況，在專利文獻CN200510008494.9(
公開日為2005年9月7日)中提出了一種設(shè)計方法，如圖2，只使用了一個半反半透光學(xué)面8和一個凹型反射面11，通過這樣的方法，使圖像信息顯示源出來的光線先穿過自由曲面棱鏡2后，有一半的光能透射過半反半透光學(xué)面，并被反射面11反射，然后到達半反半透光學(xué)面8后再次有1/2的光能被反射出組合棱鏡，經(jīng)過目鏡后被人眼接收。這時候，到達人眼的光能為(1/2)*(1/2)＝1/4。同時，外部光線只經(jīng)過一次半反半透光學(xué)面8，人眼所接收的光能達1/2。
這種設(shè)計相對于原有的技術(shù)可以將光能利用率大大提升，但由于引進了另一反射面11，實際上并不能全部被反射，將會有部分光能損耗在反射的過程中。并且，由于經(jīng)過的光學(xué)面較多，導(dǎo)致圖像容易發(fā)生成像畸變和像差等不良后果，而在技術(shù)要求上也提高了不少，對于圖像模糊的現(xiàn)狀沒有給予改善，人眼在長時間觀察后仍會覺得疲勞。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供一種簡單而實用的光學(xué)成像系統(tǒng)，它既能提高光能利用率，改善對比度，又能減少成像畸變及像差現(xiàn)像，所以，成像也就更加的清晰。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種頭盔顯示器的光學(xué)成像系統(tǒng)，包括圖像信息顯示源、自由曲面棱鏡和組合棱鏡，所述圖像信息顯示源發(fā)出的第一光線經(jīng)自由曲面棱鏡進入組合棱鏡，所述組合棱鏡中至少包含有一個半反半透鏡，所述半反半透鏡位于由第一方向入射到其上的第一光線的光路上，并位于由第二方向入射到其上的外部射入的第二光線的光路上，被半反半透鏡反射后的第一光線和透射過的第二光線在半反半透鏡面上合成第三光線后進入觀視者的瞳孔。
還進一步包括與組合棱鏡緊密貼合在一起的目鏡，所述目鏡面向人眼的鏡面為凸面，該凸面位于第三光線的光路上，以使經(jīng)過半反半透鏡出射的光發(fā)散。
所述目鏡的焦點優(yōu)選設(shè)計為光線經(jīng)由自由曲面棱鏡和半反半透鏡出射后的會聚點，以使經(jīng)過目鏡出射的光成為平行光。
本發(fā)明的優(yōu)選方案是所述圖像信息顯示源、自由曲面棱鏡的光軸和組合棱鏡豎直方向的光軸同軸；目鏡的光軸和組合棱鏡水平方向的光軸同軸。所述半反半透鏡與組合棱鏡豎直方向的光軸和水平方向的光軸的夾角基本為45度，所述第一方向和第二方向垂直或基本垂直。
為避免產(chǎn)生色像差，組合棱鏡所有光學(xué)面的構(gòu)成材料相同，所述材料的折射率大于1。
本發(fā)明的進一步改進是所述自由曲面棱鏡與圖像信息顯示源相鄰的透鏡面為凹面，所述凹面位于第一光線的光路上。
本發(fā)明的更進一步改進是組合棱鏡在靠近外部世界的那一面為凸面，該凸面位于第二光線的光路上，以使第二光線進入組合棱鏡后，其光路與第一光線的光路在半反半透鏡上重合。
本發(fā)明的更進一步改進是所述圖像信息顯示源和自由曲面棱鏡之間的距離可調(diào)。
與現(xiàn)有技術(shù)對比，本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，有益的效果在于(1)由于圖像信息顯示源發(fā)出的光線穿過自由曲面棱鏡，進入組合棱鏡后，在半反半透光學(xué)面上發(fā)生反射，并經(jīng)過目鏡后進入人眼，如圖3，減少了原反射面11，就減少了光能在反射中的損耗，提高了光能利用率，增加了圖像的亮度，增加了對比度；同時，由于所經(jīng)過光學(xué)面的減少，有利于減少成像畸變及像差現(xiàn)象，改善了圖像模糊的問題。圖像信息顯示源發(fā)出的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)與外部進入的光線融合，使所述圖像更有立體感。
(2)目鏡為凸透鏡，將會聚光線變成平行光以便讓人眼輕松接收。
(3)自由曲面棱鏡與圖像信息顯示源相鄰的透鏡面為凹面，這樣可以修正邊緣象差，降低圖像畸變現(xiàn)象。
(4)由于采用的組合棱鏡各光學(xué)面的構(gòu)成材料相同，光線在內(nèi)部的折射率相同，材料的折射率皆大于1，這樣光的折射角相同，就便于光路的控制，不易產(chǎn)生色像差。
(5)由于光學(xué)成像系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)自由曲面棱鏡與液晶屏的距離進行調(diào)焦。因此觀察者可以根據(jù)自己的視覺習(xí)慣，調(diào)節(jié)焦距，讓眼睛不會感到疲勞。
本發(fā)明的特征及優(yōu)點將通過實施例結(jié)合附圖進行詳細說明。
圖1為現(xiàn)有的i-glasses頭盔顯示器的光學(xué)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為專利文獻CN200510008494.9的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明一種實施例的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明一種實施例的光路圖。
圖中1-微型液晶顯示器，2-自由曲面棱鏡，3、6-組合棱鏡中的透射光學(xué)面，4-由圖像信息顯示源發(fā)出的第一光線，5-人眼的瞳孔，7、8-半反半透光學(xué)面，9-外部發(fā)出的第二光線，11-反射面，12-目鏡，15-凸透面，20-出瞳距離。
具體實施方式
具體實施例一、如圖3所示，從第一方向按照第一光線4的入射方向依次是圖像信息顯示源、自由曲面棱鏡2和組合棱鏡17，從第二方向按照第二光線9的入射方向依次是組合棱鏡17和目鏡12。圖像信息顯示源優(yōu)選為微型液晶顯示器1，也可以為OLED或PDP等其他可顯示圖像的顯示器，組合棱鏡17和目鏡12緊密貼合在一起(例如粘合)，微型液晶顯示器1、自由曲面棱鏡2的光軸和組合棱鏡17豎直方向的光軸同軸，目鏡12的光軸和組合棱鏡17水平方向的光軸同軸，以保證光線在傳播過程中不會因為光軸不同而產(chǎn)生的像差變形。半反半透鏡8位于組合棱鏡17中，并位于第一光線4和第二光線9的光路上，半反半透鏡8與組合棱鏡豎直方向的光軸和水平方向的光軸的夾角相等，基本為45度。第一方向優(yōu)選為與第二方向垂直或基本垂直，例如圖3中的X、Y方向。目鏡與半反本透鏡的光軸與自由曲面棱鏡與半反半透鏡的光軸垂直，第一光線4經(jīng)過半反半透鏡后角度變化90度，與目鏡同軸。組合棱鏡所有光學(xué)面的構(gòu)成材料相同，材料的折射率大于1，不會產(chǎn)生色像差。
本實施例的工作原理是第一光線4從微型液晶顯示器1發(fā)出，經(jīng)過自由曲面棱鏡2和透射光學(xué)面3，入射到半反半透鏡8上，有1/2的光線被反射出來，另外的1/2則透射出半反半透鏡8，作為損耗部分。同時，外部入射的第二光線9經(jīng)過組合棱鏡17的光學(xué)面15入射到半反半透鏡8上，有1/2的光線被透射，另外的1/2則反射出組合棱鏡17，作為損耗部分，透射的第二光線9和反射的第一光線4合成為第三光線16，第三光線16透射出組合棱鏡17經(jīng)目鏡12，到達觀視者的瞳孔，產(chǎn)生使觀視者看到遠處大圖像的效果。
由于液晶顯示器發(fā)出的光線只經(jīng)過一次半反半透光學(xué)面8即可反射到達人眼，而外部的光線也只經(jīng)過一次半反半透光學(xué)面8到達人眼，反射面的減少可以減少光能損失，提高了圖像的顯示亮度，并更有效控制圖像的畸變現(xiàn)象，保證了圖像的完整性和真實性。在這個系統(tǒng)理想情況下，無論是圖像信息顯示源的光能還是外部世界的光能，都有1/2的光能被眼睛接收，比較原來的光學(xué)成像系統(tǒng)，光能利用率大大提高。
具體實施例二、與具體實施例一不同的是目鏡12面向人眼的鏡面為凸面，該凸面位于第三光線16的光路上，具有發(fā)散的作用，且目鏡的焦點為光線經(jīng)由自由曲面棱鏡和半反半透鏡出射后的會聚點，將經(jīng)過目鏡出射的光成為平行光，直達人眼。
具體實施例三、與具體實施例一、二不同的是組合棱鏡在靠近外部世界的那一面為凸面15，該凸面15位于第二光線9的光路上，以使第二光線9進入組合棱鏡17后會聚，使其光路與微型液晶顯示器1發(fā)出的第一光線4的光路在半反半透鏡8上重合。凸面15的曲率經(jīng)過計算，可以保證光線在經(jīng)過半反半透光學(xué)面后，能與由液晶顯示器發(fā)射的經(jīng)過半反半透光學(xué)面反射的光線重合，保證成像質(zhì)量。
具體實施例四、如圖3所示，與具體實施例一、二、三不同的是自由曲面棱鏡2中靠近液晶顯示器的一面設(shè)計成凹面，該凹面位于第一光線4的光路上。由于人眼看中間和看邊緣的視場角度不一樣，所以會導(dǎo)致中間清晰，邊緣變形的情況，通過軟件計算出邊緣的合適曲率以修正誤差，這樣可以減少邊緣視場的變形，以校正系統(tǒng)畸變。同時自由曲面棱鏡2和組合棱鏡17所產(chǎn)生的像差方向相反，例如自由曲面棱鏡在邊緣部分由于工藝水平使得最終邊緣成像拉長變形，組合棱鏡就將這一部分縮小，抵消它變形部分。
上述實施例中，通過調(diào)節(jié)微型液晶顯示器1和自由曲面棱鏡2的距離，我們還可以達到將內(nèi)部通道的圖像成像在不同位置的效果，可調(diào)至無窮遠處成像，使觀察者觀察起來不會感到疲勞，使人眼的可適應(yīng)范圍大大增強。配上640*480高分辨率的圖像信息顯示源，可以產(chǎn)生如同在3米外觀看45英寸屏幕的效果。i-Glasses使用的是兩枚只有18萬像素的液晶屏，因此圖像模糊而且顆粒感比較強。本發(fā)明所采用的高分辨率液晶顯示器可以有效降低此不良現(xiàn)象，使得圖像穩(wěn)定而且細膩。
由于人眼在白天的瞳孔大約為2毫米，在夜晚增至7毫米左右，本發(fā)明的瞳孔5實際為10毫米，因為考慮到盡管本發(fā)明多數(shù)應(yīng)用在光線充足的情況下，但人眼在長時間觀察下，眼球需要活動以舒緩疲勞，所以瞳孔適當增大，盡管有部分光線浪費，但卻能讓使用者即使使用長時間下眼睛仍能得到休息。出瞳距離一般為6毫米，在這里，由于考慮到頭盔鏡片離眼睛有一定距離，為了觀察者使用方便，本發(fā)明將出瞳距離20設(shè)置為25毫米，如圖4所示。人眼的瞳距一般在55至70毫米之間，為了迎合大多數(shù)人的需要，本發(fā)明的瞳距設(shè)計為63毫米。為使該光學(xué)成像系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的人，該光學(xué)成像系統(tǒng)的瞳距和出瞳距離設(shè)計為可調(diào)的，瞳距的可調(diào)范圍為63-65毫米，出瞳距離的可調(diào)范圍為25毫米。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定的專利保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種頭盔顯示器的光學(xué)成像系統(tǒng)，包括圖像信息顯示源、自由曲面棱鏡和組合棱鏡，所述圖像信息顯示源發(fā)出的第一光線(4)經(jīng)自由曲面棱鏡進入組合棱鏡，所述組合棱鏡中至少包含有一個半反半透鏡，其特征在于所述半反半透鏡位于由第一方向入射到其上的第一光線(4)的光路上，并位于由第二方向入射到其上的外部射入的第二光線(9)的光路上，被半反半透鏡反射后的第一光線(4)和透射過的第二光線(9)在半反半透鏡面上合成第三光線(16)后進入觀視者的瞳孔。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于還包括與組合棱鏡緊密貼合在一起的目鏡，所述目鏡(12)面向人眼的鏡面為凸面，該凸面位于第三光線(16)的光路上，以使經(jīng)過半反半透鏡出射的光發(fā)散。
3.如權(quán)利要求2所述光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述目鏡的焦點為光線經(jīng)由自由曲面棱鏡和半反半透鏡出射后的會聚點，以使經(jīng)過目鏡出射的光成為平行光。
4.如權(quán)利要求3所述光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述圖像信息顯示源、自由曲面棱鏡的光軸和組合棱鏡豎直方向的光軸同軸；目鏡的光軸和組合棱鏡水平方向的光軸同軸。
5.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述半反半透鏡與組合棱鏡豎直方向的光軸和水平方向的光軸的夾角基本為45度，所述第一方向和第二方向垂直或基本垂直。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于組合棱鏡所有光學(xué)面的構(gòu)成材料相同，所述材料的折射率大于1。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述圖像信息顯示源是微型液晶顯示器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述自由曲面棱鏡與圖像信息顯示源相鄰的透鏡面為凹面，所述凹面位于第一光線(4)的光路上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于組合棱鏡在靠近外部世界的那一面為凸面，該凸面位于第二光線(9)的光路上，以使第二光線(9)進入組合棱鏡后，其光路與第一光線(4)的光路在半反半透鏡上重合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述圖像信息顯示源和自由曲面棱鏡之間的距離可調(diào)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于該光學(xué)成像系統(tǒng)的瞳距和出瞳距離可調(diào)，所述瞳距的可調(diào)范圍為63-65毫米，出瞳距離的可調(diào)范圍為25毫米，瞳孔為10毫米。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述瞳孔為10毫米，瞳距為63毫米，出瞳距離為25毫米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種頭盔顯示器的光學(xué)成像系統(tǒng)，包括圖像信息顯示源、自由曲面棱鏡和組合棱鏡，圖像信息顯示源發(fā)出的第一光線(4)經(jīng)自由曲面棱鏡進入組合棱鏡，組合棱鏡中至少包含有一個半反半透鏡，半反半透鏡位于由第一方向入射到其上的第一光線(4)的光路上，并位于由第二方向入射到其上的外部射入的第二光線(9)的光路上，被半反半透鏡反射后的第一光線(4)和透射過的第二光線(9)在半反半透鏡面上合成第三光線(16)后進入觀視者的瞳孔。本發(fā)明提高了光能利用率，減少了成像畸變及像差現(xiàn)象。
文檔編號G02B27/00GK101034206SQ20061003430
公開日2007年9月12日 申請日期2006年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月9日
發(fā)明者何志奇, 陳學(xué)剛, 陳超偉 申請人:比亞迪股份有限公司