CN100526936C - 一种头盔显示器的光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种头盔显示器的光学成像系统，包括图像信息显示源、自由曲面棱镜和组合棱镜，图像信息显示源发出的第一光线(4)经自由曲面棱镜进入组合棱镜，组合棱镜中至少包含有一个半反半透镜，半反半透镜位于由第一方向入射到其上的第一光线(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线(9)的光路上，被半反半透镜反射后的第一光线(4)和透射过的第二光线(9)在半反半透镜面上合成第三光线(16)后进入观视者的瞳孔。本发明提高了光能利用率，减少了成像畸变及像差现象。

Description

一种头盔显示器的光学成像系统

【技术领域】

本发明涉及一种头盔显示器，尤其涉及到一种能够调焦、提高光学利用率、减少成像畸变及像差现像的头盔显示器的光学成像系统。

【背景技术】

头盔显示器(Head Mounted Display)简称HMD，它能将小型二维显示器所产生的图象经由光学系统放大，成几尺之外数十英寸的屏幕效果。它主要由：图像信息显示系统、光学成像系统、电路控制与连接系统、头盔结构及配重系统、音频系统等组成。在这五部分中，以光学成像系统最为关键，因为用户是通过光学成像系统观察图像，如果设计不合理，图像会产生诸如成像畸变、亮度不够等问题，用户会感到恶心或者眼睛很快就会疲劳。

光能利用率是影响光学成像系统整体性能的一个重要因素。其中，光能利用率为到达人眼的光能与入射光能量的比值，它反映了头盔显示器的光学成像系统对光的吸收或反射的性能，也就衡量了入射光在到达人眼之前损耗的多少。目前已经商品化的头盔显示器为i-O Display Systems公司生产的i-glasses，这是一款增强现实的头盔显示器，其中光学成像系统的结构如图1所示，其工作原理为：从微型液晶显示器1上发出的光，经过自由曲面棱镜2，然后由透射面3进入组合棱镜，在半反半透光学面8上有1/2的光能被反射，同时有1/2的光能透射，这部分光能做为损耗光能。被反射的光能到达另一半反半透面7，再次损耗一半的能量，另一半再次反射到半反半透面8上，透射部分经过透射面6到达目镜12进入人眼，这部分光能做为有效利用的光能。理想情况下，即忽略其他透射面产生的损耗情况下，人眼接受的光能只有(1/2)*(1/2)*(1/2)＝1/8。这种方法导致光能损耗过多，图像将会黑暗难辨，很多细节可能会丢失，人眼观察久了很容易疲累。而光线出射组合棱镜后呈会聚趋势，人眼接收该类光线图象会比较吃力，时间一长眼睛也会疲劳不堪。

针对这种情况，在专利文献CN200510008494.9(公开日为2005年9月7日)中提出了一种设计方法，如图2，只使用了一个半反半透光学面8和一个凹型反射面11，通过这样的方法，使图像信息显示源出来的光线先穿过自由曲面棱镜2后，有一半的光能透射过半反半透光学面，并被反射面11反射，然后到达半反半透光学面8后再次有1/2的光能被反射出组合棱镜，经过目镜后被人眼接收。这时候，到达人眼的光能为(1/2)*(1/2)＝1/4。同时，外部光线只经过一次半反半透光学面8，人眼所接收的光能达1/2。

这种设计相对于原有的技术可以将光能利用率大大提升，但由于引进了另一反射面11，实际上并不能全部被反射，将会有部分光能损耗在反射的过程中。并且，由于经过的光学面较多，导致图像容易发生成像畸变和像差等不良后果，而在技术要求上也提高了不少，对于图像模糊的现状没有给予改善，人眼在长时间观察后仍会觉得疲劳。

【发明内容】

本发明的主要目的就是为了解决现有技术的问题，提供一种简单而实用的光学成像系统，它既能提高光能利用率，改善对比度，又能减少成像畸变及像差现像，所以，成像也就更加的清晰。

为实现上述目的，本发明公开了一种头盔显示器的光学成像系统，包括图像信息显示源、自由曲面棱镜和组合棱镜，所述图像信息显示源发出的第一光线经自由曲面棱镜进入组合棱镜，所述组合棱镜中至少包含有一个半反半透镜，所述半反半透镜位于由第一方向入射到其上的第一光线的光路上，并位于由第二方向入射到其上的外部射入的第二光线的光路上，被半反半透镜反射后的第一光线和透射过的第二光线在半反半透镜面上合成第三光线后进入观视者的瞳孔。

还进一步包括与组合棱镜紧密贴合在一起的目镜，所述目镜面向人眼的镜面为凸面，该凸面位于第三光线的光路上，以使经过半反半透镜出射的光发散。

所述目镜的焦点优选设计为光线经由自由曲面棱镜和半反半透镜出射后的会聚点，以使经过目镜出射的光成为平行光。

本发明的优选方案是：所述图像信息显示源、自由曲面棱镜的光轴和组合棱镜竖直方向的光轴同轴；目镜的光轴和组合棱镜水平方向的光轴同轴。所述半反半透镜与组合棱镜竖直方向的光轴和水平方向的光轴的夹角基本为45度，所述第一方向和第二方向垂直或基本垂直。

为避免产生色像差，组合棱镜所有光学面的构成材料相同，所述材料的折射率大于1。

本发明的进一步改进是：所述自由曲面棱镜与图像信息显示源相邻的透镜面为凹面，所述凹面位于第一光线的光路上。

本发明的更进一步改进是：组合棱镜在靠近外部世界的那一面为凸面，该凸面位于第二光线的光路上，以使第二光线进入组合棱镜后，其光路与第一光线的光路在半反半透镜上重合。

本发明的更进一步改进是：所述图像信息显示源和自由曲面棱镜之间的距离可调。

与现有技术对比，本发明采用上述技术方案，有益的效果在于：

(1)由于图像信息显示源发出的光线穿过自由曲面棱镜，进入组合棱镜后，在半反半透光学面上发生反射，并经过目镜后进入人眼，如图3，减少了原反射面11，就减少了光能在反射中的损耗，提高了光能利用率，增加了图像的亮度，增加了对比度；同时，由于所经过光学面的减少，有利于减少成像畸变及像差现象，改善了图像模糊的问题。图像信息显示源发出的光线经过光学系统与外部进入的光线融合，使所述图像更有立体感。

(2)目镜为凸透镜，将会聚光线变成平行光以便让人眼轻松接收。

(3)自由曲面棱镜与图像信息显示源相邻的透镜面为凹面，这样可以修正边缘象差，降低图像畸变现象。

(4)由于采用的组合棱镜各光学面的构成材料相同，光线在内部的折射率相同，材料的折射率皆大于1，这样光的折射角相同，就便于光路的控制，不易产生色像差。

(5)由于光学成像系统可以通过调节自由曲面棱镜与液晶屏的距离进行调焦。因此观察者可以根据自己的视觉习惯，调节焦距，让眼睛不会感到疲劳。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1为现有的i-glasses头盔显示器的光学成像系统结构图；

图2为专利文献CN200510008494.9的光学结构图；

图3为本发明一种实施例的光学结构图；

图4为本发明一种实施例的光路图。

图中1—微型液晶显示器，2—自由曲面棱镜，3、6—组合棱镜中的透射光学面，4—由图像信息显示源发出的第一光线，5—人眼的瞳孔，7、8一半反半透光学面，9—外部发出的第二光线，11—反射面，12—目镜，15—凸透面，20--出瞳距离。

【具体实施方式】

具体实施例一、如图3所示，从第一方向按照第一光线4的入射方向依次是图像信息显示源、自由曲面棱镜2和组合棱镜17，从第二方向按照第二光线9的入射方向依次是组合棱镜17和目镜12。图像信息显示源优选为微型液晶显示器1，也可以为OLED或PDP等其他可显示图像的显示器，组合棱镜17和目镜12紧密贴合在一起(例如粘合)，微型液晶显示器1、自由曲面棱镜2的光轴和组合棱镜17竖直方向的光轴同轴，目镜12的光轴和组合棱镜17水平方向的光轴同轴，以保证光线在传播过程中不会因为光轴不同而产生的像差变形。半反半透镜8位于组合棱镜17中，并位于第一光线4和第二光线9的光路上，半反半透镜8与组合棱镜竖直方向的光轴和水平方向的光轴的夹角相等，基本为45度。第一方向优选为与第二方向垂直或基本垂直，例如图3中的X、Y方向。目镜与半反本透镜的光轴与自由曲面棱镜与半反半透镜的光轴垂直，第一光线4经过半反半透镜后角度变化90度，与目镜同轴。组合棱镜所有光学面的构成材料相同，材料的折射率大于1，不会产生色像差。

本实施例的工作原理是：第一光线4从微型液晶显示器1发出，经过自由曲面棱镜2和透射光学面3，入射到半反半透镜8上，有1/2的光线被反射出来，另外的1/2则透射出半反半透镜8，作为损耗部分。同时，外部入射的第二光线9经过组合棱镜17的光学面15入射到半反半透镜8上，有1/2的光线被透射，另外的1/2则反射出组合棱镜17，作为损耗部分，透射的第二光线9和反射的第一光线4合成为第三光线16，第三光线16透射出组合棱镜17经目镜12，到达观视者的瞳孔，产生使观视者看到远处大图像的效果。

由于液晶显示器发出的光线只经过一次半反半透光学面8即可反射到达人眼，而外部的光线也只经过一次半反半透光学面8到达人眼，反射面的减少可以减少光能损失，提高了图像的显示亮度，并更有效控制图像的畸变现象，保证了图像的完整性和真实性。在这个系统理想情况下，无论是图像信息显示源的光能还是外部世界的光能，都有1/2的光能被眼睛接收，比较原来的光学成像系统，光能利用率大大提高。

具体实施例二、与具体实施例一不同的是目镜12面向人眼的镜面为凸面，该凸面位于第三光线16的光路上，具有发散的作用，且目镜的焦点为光线经由自由曲面棱镜和半反半透镜出射后的会聚点，将经过目镜出射的光成为平行光，直达人眼。

具体实施例三、与具体实施例一、二不同的是组合棱镜在靠近外部世界的那一面为凸面15，该凸面15位于第二光线9的光路上，以使第二光线9进入组合棱镜17后会聚，使其光路与微型液晶显示器1发出的第一光线4的光路在半反半透镜8上重合。凸面15的曲率经过计算，可以保证光线在经过半反半透光学面后，能与由液晶显示器发射的经过半反半透光学面反射的光线重合，保证成像质量。

具体实施例四、如图3所示，与具体实施例一、二、三不同的是自由曲面棱镜2中靠近液晶显示器的一面设计成凹面，该凹面位于第一光线4的光路上。由于人眼看中间和看边缘的视场角度不一样，所以会导致中间清晰，边缘变形的情况，通过软件计算出边缘的合适曲率以修正误差，这样可以减少边缘视场的变形，以校正系统畸变。同时自由曲面棱镜2和组合棱镜17所产生的像差方向相反，例如自由曲面棱镜在边缘部分由于工艺水平使得最终边缘成像拉长变形，组合棱镜就将这一部分缩小，抵消它变形部分。

上述实施例中，通过调节微型液晶显示器1和自由曲面棱镜2的距离，我们还可以达到将内部通道的图像成像在不同位置的效果，可调至无穷远处成像，使观察者观察起来不会感到疲劳，使人眼的可适应范围大大增强。配上640*480高分辨率的图像信息显示源，可以产生如同在3米外观看45英寸屏幕的效果。i—Glasses使用的是两枚只有18万像素的液晶屏，因此图像模糊而且颗粒感比较强。本发明所采用的高分辨率液晶显示器可以有效降低此不良现象，使得图像稳定而且细腻。

由于人眼在白天的瞳孔大约为2毫米，在夜晚增至7毫米左右，本发明的瞳孔5实际为10毫米，因为考虑到尽管本发明多数应用在光线充足的情况下，但人眼在长时间观察下，眼球需要活动以舒缓疲劳，所以瞳孔适当增大，尽管有部分光线浪费，但却能让使用者即使使用长时间下眼睛仍能得到休息。出瞳距离一般为6毫米，在这里，由于考虑到头盔镜片离眼睛有一定距离，为了观察者使用方便，本发明将出瞳距离20设置为25毫米，如图4所示。人眼的瞳距一般在55至70毫米之间，为了迎合大多数人的需要，本发明的瞳距设计为63毫米。为使该光学成像系统能够适应不同的人，该光学成像系统的瞳距和出瞳距离设计为可调的，瞳距的可调范围为63-65毫米，出瞳距离的可调范围为25毫米。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1、一种头盔显示器的光学成像系统，包括图像信息显示源、自由曲面棱镜和组合棱镜，所述图像信息显示源发出的第一光线(4)经自由曲面棱镜进入组合棱镜，所述组合棱镜中至少包含有一个半反半透镜，所述半反半透镜位于由第一方向入射到其上的第一光线(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线(9)的光路上，被半反半透镜反射后的第一光线(4)和透射过的第二光线(9)在半反半透镜面上合成第三光线(16)后进入观视者的瞳孔，其特征在于：还包括与组合棱镜紧密贴合在一起的目镜，所述目镜(12)面向人眼的镜面为凸面，该凸面位于第三光线(16)的光路上，以使经过半反半透镜出射的光发散，所述自由曲面棱镜与图像信息显示源相邻的透镜面为凹面，所述凹面位于第一光线(4)的光路上。

2、如权利要求1所述光学成像系统，其特征在于：所述目镜的焦点为光线经由自由曲面棱镜和半反半透镜出射后的会聚点，以使经过目镜出射的光成为平行光。

3、如权利要求2所述光学成像系统，其特征在于：所述图像信息显示源、自由曲面棱镜的光轴和组合棱镜竖直方向的光轴同轴；目镜的光轴和组合棱镜水平方向的光轴同轴。

4、如权利要求3所述的光学成像系统，其特征在于：所述半反半透镜与组合棱镜竖直方向的光轴和水平方向的光轴的夹角基本为45度，所述第一方向和第二方向垂直或基本垂直。

5、根据权利要求4所述的光学成像系统，其特征在于：组合棱镜所有光学面的构成材料相同，所述材料的折射率大于1。

6、如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于：所述图像信息显示源是微型液晶显示器。

7、根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于：组合棱镜在靠近外部世界的那一面为凸面，该凸面位于第二光线(9)的光路上，以使第二光线(9)进入组合棱镜后，其光路与第一光线(4)的光路在半反半透镜上重合。

8、根据权利要求7所述的光学成像系统，其特征在于：所述图像信息显示源和自由曲面棱镜之间的距离可调。

9、根据权利要求8所述的光学成像系统，其特征在于：该光学成像系统的瞳距和出瞳距离可调，所述瞳距的可调范围为63-65毫米，出瞳距离的可调范围为25毫米，该光学成像系统的瞳孔为10毫米。

10、根据权利要求8所述的光学成像系统，其特征在于：该光学成像系统的瞳距和出瞳距离分别为63毫米和25毫米，该光学成像系统的瞳孔为10毫米。

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