CN101153959A - 眼镜显示器的光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种眼镜显示器的光学成像系统，它包括在垂直方向沿光路顺序设置的图像信息显示源及棱镜组合，该棱镜组合具有入射来自图像信息显示源的入射光轴及从该棱镜组合向人眼射出光束的射出光轴，且该入射光轴和出射光轴垂直。由于图像信息显示源和棱镜组合在垂直方向上放置，能够有效减小整个眼镜显示器的厚度，而且由于厚度减小，使整个眼镜显示器的重心贴近了脸部，使佩戴更加舒适。

Description

眼镜显示器的光学成像系统

技术领域

本发明涉及眼镜显示器领域。

背景技术

在1968年，美国ARPA信息处理技术办公室主任Ivan Sutherland建立了“达摩克里斯之剑”头盔显示器，它被认为是世界上第一个头盔显示器，该头盔显示器能显现二维图像，没有浸沉感，用户只能看到的线框图叠加在真实环境之上。该头盔显示器采用传统的轴对称光学系统，因此体积和重量都较大。1975年，J.H.Clark利用Ivan Sutherland设计的头盔显示器和Utah大学开发的机械Wand建立了一个曲面设计的交互环境。由于当时的相关技术还不成熟，并没有产生广泛的影响，但这已是进入虚拟技术(virtualreality，简称VR)应用的前奏。

1982年，Thomas Fumess III展示了带有六个自由度跟踪定位的头盔显示器(HMD)，从而使用户完全脱离的周围环境。1984年，MichaelMcGreevy在NASAAmes创建了并不昂贵的三维立体HMD。1985年，ScottFisher在NASA继续三维立体HMD工程的发展，创建了由操作者位置、声音和手势控制、且带有广角立体显示的头盔式显示系统。与之同时，VPL研究小组研制出了数据手套，该数据手套能够用来测量每个手指关节的弯曲程度。1986年末，NASA的一个研究小组集成了一个VR(虚拟现实)的3D环境，用户可以用手抓住某个虚拟物体并操纵它，并可以用手势和系统进行初步交互。

现有的虚拟现实系统中，头盔式显示器是最早的VR显示器，它利用头盔将人对外界的视觉和听觉封闭起来，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。但是，由于技术的原因，该头盔式显示器所需要空间很大，所以产品外形也很大。随着技术的发展，技术越来越成熟，如今甚至可以在如一副眼镜大小的空间内安装该虚拟系统。因此，更具有使用和实用意义的眼镜显示器诞生了。

和头盔显示器一样，眼镜显示器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，图像会产生严重的诸如畸变、亮度不够等问题，用户会感到恶心或者眼睛很快就会疲劳。为了保证成像质量，系统需要足够的空间来满足成像要求。眼镜显示器能将一寸不到的液晶显示器上的图象通过偏心自由曲面透镜放大投影成两米外五十英寸大的图象，如同在电影院般的效果。

请参阅图1，现有的眼镜显示器的光学成像系统包括沿光路顺序分布的液晶显示器1、胶合棱镜2及自由曲面棱镜3，且该液晶显示器1、胶合棱镜2及自由曲面棱镜3水平布置并共轴，从而使整个眼镜显示器的厚度达到30mm左右。由于该等眼镜显示器的厚度较厚，会导致眼镜的重心靠前，并不是直接落在人的鼻梁上，会造成眼镜有前倾的趋势，因此使用者需要不断用手固定复位，佩带时间长了将会感到很疲累。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种厚度较小且配戴舒适的眼镜显示器的光学成像系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该眼镜显示器的光学成像系统，包括在垂直方向沿光路顺序设置的图像信息显示源及棱镜组合，该棱镜组合具有入射来自图像信息显示源的入射光轴及从该棱镜组合向人眼射出光束的射出光轴，且该入射光轴和出射光轴垂直。

所述的棱镜组合包括自由曲面棱镜及由两块棱镜胶合而成的胶合棱镜，该图像信息显示源、胶合棱镜及自由曲面棱镜在垂直方向顺序布置，且该自由曲面棱镜具有全反射面，该全反射面与该自由曲面棱镜水平表面的切线成45度夹角。所述的胶合棱镜面向图像信息显示源的表面为凹面，其面向自由曲面棱镜的表面为凸面。所述的自由曲面棱镜的面向胶合棱镜的入射面及面向人眼的出射面均为凸面。所述的自由曲面棱镜在垂直方向呈上宽下窄的三角形状。

本发明的有益效果是，由于图像信息显示源和棱镜组合在垂直方向上放置，能够有效减小整个眼镜显示器的厚度，而且由于厚度减小，使整个眼镜显示器的重心贴近了脸部，使佩戴更加舒适。

附图说明

图1是现有眼镜显示器的光学成像系统的结构示意图。

图2是本发明眼镜显示器的光学成像系统的结构示意图。

图3是本发明眼镜显示器的光学成像系统的光路图。

具体实施方式

请参阅图2及图3，本发明眼镜显示器的光学成像系统包括在垂直方向沿光路顺序放置的图像信息显示源及棱镜组合。该图像信息显示源1为液晶显示器1。该棱镜组合包括胶合棱镜2及自由曲面棱镜3，该胶合棱镜2包括两块棱镜，该两块棱镜在胶合面20通过胶水而粘接一体，两棱镜的间距为零，该胶合棱镜面向液晶显示器的入射面21为凹面，该胶合棱镜面向自由曲面棱镜的出射面22为凸面。通过两块棱镜起到消除畸变的作用，通过将入射面21设置为凹面，可以减小图像边缘的像差，也可以保持整个画面的对比度，使得边缘部分不置于灰暗。

该自由曲面棱镜3具有一个入射面31、一个全反射面32及一个出射面33。该入射面31面向胶合棱镜并为凸面。该全发射面32采用的是折射率较高的材料，所以全反射角小，且全反射面与该自由曲面棱镜水平表面的切线成45度夹角，使光线能全部反射并平行水平射出。该出射面33面向人眼并为凸面。该自由曲面棱镜3在垂直方向上上宽下窄，而成为一个三角形。

该光学系统的工作原理如下：图像的光线从液晶显示器1上射出，该光线经过胶合棱镜2后到达自由曲面棱镜3，在自由曲面棱镜3的全反射面32上发生全反射，从而使光路光轴改变90度后从出射面33出射(即入射光轴垂直，出射光轴水平，使该入射光轴和出射光轴垂直)，平行进入人眼。

本发明中，由于将整个光学成像系统的部分光路折合在垂直方向(即该眼镜显示器的高度方向)，所以可以减小整个眼镜显示器的厚度；由于自由曲面棱镜设计为三角形，也可以使得外观成为流线型，更具观赏性；由于将一部分光路折合在垂直方向，所以可以更好的覆盖人眼，减少甚至避免外界光线进入人眼，使用者可以专心观看眼镜显示器的播放内容，而且佩戴起来更为合适，即使长时间佩戴也不会有太多的不适。

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 (5)

1.一种眼镜显示器的光学成像系统，其特征在于：包括在垂直方向沿光路顺序设置的图像信息显示源及棱镜组合，该棱镜组合具有入射来自图像信息显示源的入射光轴及从该棱镜组合向人眼射出光束的射出光轴，且该入射光轴和出射光轴垂直。

2.按照权利要求1所述的眼镜显示器的光学成像系统，其特征在于：所述的棱镜组合包括自由曲面棱镜及由两块棱镜胶合而成的胶合棱镜，该图像信息显示源、胶合棱镜及自由曲面棱镜在垂直方向顺序布置，且该自由曲面棱镜具有全反射面，该全反射面与该自由曲面棱镜水平表面的切线成45度夹角。

3.按照权利要求2所述的眼镜显示器的光学成像系统，其特征在于：所述的胶合棱镜面向图像信息显示源的表面为凹面，其面向自由曲面棱镜的表面为凸面。

4.按照权利要求2所述的眼镜显示器的光学成像系统，其特征在于：所述的自由曲面棱镜的面向胶合棱镜的入射面及面向人眼的出射面均为凸面。

5.按照权利要求2-4中任意一项所述的眼镜显示器的光学成像系统，其特征在于：所述的自由曲面棱镜在垂直方向呈上宽下窄的三角形状。

Images