CN101646970B - 眼镜式显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种眼镜式显示装置，包括微显示芯片(1)、对微显示芯片(1)产生的图像进行放大处理的光学透镜组(2)、以及将光学透镜组(2)输出的光线传送给眼睛的光传导平板(3)；光传导平板与眼睛的观察轴线垂直，光学透镜组的轴线与眼睛的观察轴线之间的夹角为45度～65度。

Description

眼镜式显示装置
技术领域
本发明涉及光学成像系统，涉及一种具有较大视场、较大出瞳尺寸的眼镜式显示装置。
背景技术
眼镜式显示装置的作用，是将微显示芯片(如LCD、LCOS或者OLED)所产生的图像放大成虚像再供人眼进行观察，其中LCD(Liquid Crystal Display)为液晶显示，OLED(Organic Light Emitting Diode)为有机发光二极管，LCOS(Liguid Crystal on Silicon)为反射式硅基液晶。使用时，整个显示装置被佩戴于非常接近于人眼的位置，具有便携性、移动性等优点。为了便于佩戴，要求眼镜式显示装置在保证足够的成像质量、足够的视觉放大率的情况下，体积能尽量的小、重量能尽量的轻。
因具有便携性、移动性等优点，并可实时提供大屏幕显示效果，眼镜式显示装置不仅可以应用于军事领域满足实时观察图像的需求，更可广泛应用于民用多媒体视听领域。由于其广泛的市场应用前景，众多研究机构和公司对眼镜式显示技术进行了大量的投入，目前已经出现了多种眼镜式显示技术方案。
美国Micro Optical公司申请的美国专利中，提供了多种眼镜式显示技术方案，所述美国专利包括：US 5,715,377、US 5,886,822、US 6,023,372和US6,091,546。其中一种方案是将微显示芯片产生的光学图像经由光学系统放大后，再由导光装置将图像传导到人眼进行观察，其中图像可以传导至瞳孔的侧面或者正面，这种方案中，为了降低显示装置的体积，减小了显示的视场，因此无法提供大显示尺寸。另一种方案是通过半反半透棱镜来实现，这种显示装置的体积会随人眼可观察范围(出瞳尺寸)和视场的增加而急剧加大，所以仅适合小视场和低分辨率显示(例如11度水平视场，320×240分辨率)。
在美国专利US 6,028,708、US 6,097,354、US 5,436,765、US 5,959,780、以及US6,317,267中，提供了采用离轴自由曲面棱镜对图像进行放大的显示系统，这些方案中可达到较高的光学质量和高解析度，但是，如果想实现较大的出瞳尺寸和较大的视场，同样需要增大显示装置的体积和重量。不仅如此，由于光学系统离轴的缘故，会使得系统设计难度高，畸变难于消除(3％)，且非轴对称的自由曲面加工难度也非常大。
在美国专利US 09/801,405(公告号US 2001/0033401A1)和US 6,169,613中，采用了全息光学器件和光传导平板的方法，使得整个眼镜式显示装置可以实现轻薄化，但全息光学元件难于批量化、且其色差消除困难，这些缺点限制了此种方案的推广应用。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明要解决传统眼镜式显示装置中当增大视场和出瞳尺寸时必须增大尺寸和重量的问题，并提供一种具有较大视场、较大出瞳尺寸并支持高解析度的轻薄型眼镜式显示装置。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：构造一种眼镜式显示装置，包括微显示芯片、对所述微显示芯片产生的图像进行放大处理的光学透镜组、以及将所述光学透镜组输出的光线传送到人眼的光传导平板；其中，所述微显示芯片、光学透镜组及光传导平板沿着光线传播方向依次放置；所述光传导平板与所述人眼的观察轴线垂直，所述光学透镜组的轴线与所述人眼的观察轴线之间的夹角为45度～65度；
所述光学透镜组中可包括沿着光线传播方向依次放置的四个透镜，其中第一透镜、第二透镜和第三透镜用于对光束进行聚焦并消除色差，第四透镜用于对主光线进行偏转处理以使之垂直于所述微显示芯片并消除畸变；
所述第一、第三、第四透镜最好为偶次非球面凸透镜，所述第二透镜为球面双凹透镜；
所述第一、第三、第四透镜可采用PMMA、COC或者COP树脂材料制成，该树脂材料的折射率为1.45～1.6，阿贝数为56～58；所述第二透镜可采用火石玻璃材料制成，该玻璃材料的折射率为1.7～1.9，阿贝数为20～40。
本发明中，所述微显示芯片与第一透镜之间的距离可为3mm～10mm；所述微显示芯片与第四透镜之间的总长度小于50mm；所述人眼的观察位置与光传导平板之间的距离可为10mm～25mm。
本发明中，所述光传导平板为多个部分反射面结合而成的光学平板，其厚度为2mm～3mm；其中每一个部分反射面与该光传导平板底面之间的夹角25度～45度，每一个部分反射面的反射率为20％～30％。
本发明所述眼镜式显示装置的出瞳尺寸为15mm×8mm，半视场为15度×9度。
由上述技术方案可以看出，本发明中采用光学透镜组对微显示芯片产生的图像进行放大后，再利用光传导平板将放大后的图像传送到人眼，以供人眼进行观察。其中光学传导平板可扩大出瞳尺寸，由于光传导平板非常薄，因此整个显示装置具有大视场、大出瞳尺寸和大眼点距的特点；同时光学透镜组中的各个透镜加工难度低，使得生产成本和可靠性都得到了保证。
附图说明
图1是本发明一个优选实施例中的眼镜式显示装置的结构示意图；
图2是图1所示光学透镜组展开后的结构示意图；
图3是图1所示光传导平板的工作原理图；
图4是图2所示光学透镜组的工作原理图；
图5a和图5b是图2所示眼镜式显示装置的像质分析图。
图中，1是微显示芯片，2是透镜组，21、22、23、24分别是第一、二、三、四透镜，3是光传导平板(简称光导板)，4是人眼，5是人眼轴线，6是透镜组轴线，7是入射光线，8是部分反射面。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例中，眼镜式显示装置的结构如图1和图2所示。在图1中示出的是光学透镜组2的整体结构，图2则示出了光学透镜组2具体由四个透镜组成。其中，微显示芯片1与第一透镜21之间的距离可为3mm～10mm，本实施例中为5mm；微显示芯片与第四透镜24之间的总长度小于50mm，本实施例中为49mm；人眼4的观察位置与光传导平板3之间的距离为10mm～25mm，本实施例中为15mm。其中光传导平板的厚度为3mm，还可以进一步缩小至2mm。该眼镜式显示装置的出瞳尺寸为15mm×8mm，半视场为15度×9度。
其中，光传导平板3与人眼的观察轴线5垂直，光学透镜组2的轴线与人眼的观察轴线5之间的夹角为45度～65度。
图3示出了光传导平板3对光线的传输效果，该光传导平板为多个部分反射面结合而成的光学平板；其中每一个部分反射面与该光传导平板底面之间的夹角25度～45度，每一个部分反射面的反射率为20％～30％。
当入射光7射进光传导平板3后，由于光线满足光传导平板全反射条件，因此会有全反射作用，使得光线被约束于光传导平板3中，并传输至各个部分反射面8。
每一个部分反射面8的作用是对照射在其上的光束进行部分反射。具体来说，针对光传导平板中的任一个部分反射面8，入射光7的部分反射光垂直于光传导平板的表面，不满足全反射条件从而被耦合出传导平板3，照射到人眼4；透射光由于全反射作用继续在光传导平板中传输至下一个部分反射面。部分反射面8成水平阵列排布，因此反射光亦在水平方向重复排布。亦即入射光束7的宽度在水平方向得到扩展。通过这种光束宽度扩展作用，光传导平板可以很大程度上扩展光束的可观察范围，从而将透镜组所成虚像的传输至人眼观察，并同时扩展可观察范围。光传导平板可采用无色光学玻璃或光学树脂玻璃制成。本例中选用k9玻璃，将k9玻璃磨成锐角30度的平行四边形形状，在其上蒸镀部分反射铝膜，并将其粘接。
如图4所示，具体实施时，光学系统采用反向设计，即假设光线由人眼(左方)发出，经光传导平板传输，然后顺序通过第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜四24，最终成像于微显示芯片1的平面。由于平行光束在光传导平板中传输不产生任何像差，所以设计中可以将其作为平行平板考虑，在图4中则未画出。孔径光阑设置于人眼处(左方)，大小设为60mm×8mm；并且在第一透镜21的左方8.1mm处设置附加光阑，以对光束水平方向孔径大小进行限制。
图4中，第一透镜21可采用PMMA、COC或者COP等树脂材料制成，该树脂材料的折射率为1.4～1.6，阿贝数为56～58，例如可选折射率为1.5，阿贝数为57；第二透镜22可采用折射率为1.6～1.9，阿贝数为20～40的火石玻璃制成，例如可选折射率为1.8，阿贝数为30；第三透镜23由与第一透镜相同的材料制成。第一、第二、第三透镜组成前组透镜，对来自人眼的光线进行聚焦作用，其中不同材料透镜的搭配给消除倍率色差提供了可能，可以降低显示装置的色差，显示装置的其他像差如球差、彗差等则通过透镜组各个光学表面的配置进行修正。
第四透镜24也由与第一透镜相同的材料制成，其作用是尽量将主光线偏转以垂直于微显示芯片，并消除畸变。
为了提供提高像质，第一、第三、第四透镜被设置为轴对称非球面凸透镜，这些非球面透镜的材料均为光学树脂，加工难度低，因此在批量化生产时可以使用成型模具，以便于大批量压制透镜，使得生产成本和可靠性都得到了保证。其中的第二透镜22则是球面凹透镜。
本实施例的工作波段为可见光波段，设计时采用0.486μm的F光、0.588μm的d光、以及0.656μm的C光。
在图5a和图5b中示出了本实施例的成像质量，其中，图5a示出了场曲(FIELD CURVATURE)和畸变(DISTORTION)，从中右方曲线可以看出，Y向畸变小于1.6％。本实例光学系统的失真变形程度较小。
图5b表示各视场点的点列图(SPOT DIAGRAM)，视场点选取为(0，0)、(10.5，0)、(15，0)、(0，6.3)、(0，9)、(10.5，6.3)、(15，9)、(-15，9)、(-10.5，6.3)、(-15，0)、(-10.5，0)度。图中给出了各视场点的点列图RMS半径分别为：12.452μm、15.472μm、21.034μm、17.405μm、17.372μm、16.097μm、15.536μm、15.561μm、14.874μm、18.180μm、13.128μm。足以满足目视光学系统的要求。
从上述实施例可以看出，本发明中采用光学透镜组对微显示芯片产生的图像进行放大后，再利用光传导平板将放大后的图像传送到人眼，以供人眼进行观察。其中光学传导平板可扩大出瞳尺寸，由于光传导平板非常薄，因此整个显示装置具有大视场、大出瞳尺寸和大眼点距的特点；同时光学透镜组中的各个透镜加工难度低，使得生产成本和可靠性都得到了保证。

Claims (4)

1.一种眼镜式显示装置，其特征在于，包括微显示芯片(1)、对所述微显示芯片(1)产生的图像进行放大处理的光学透镜组(2)、以及将所述光学透镜组(2)输出的光线传送到人眼的光传导平板(3)；
其中，所述微显示芯片(1)、光学透镜组(2)及光传导平板(3)沿着光线传播方向依次放置；所述光传导平板与所述人眼的观察轴线垂直，所述光学透镜组的轴线与所述人眼的观察轴线之间的夹角为45度～65度；
所述光学透镜组(2)中包括沿着光线传播方向依次放置的四个透镜，其中第一透镜(21)、第二透镜(22)和第三透镜(23)用于对光束进行聚焦并消除色差，第四透镜(24)用于对主光线进行偏转处理以使之垂直于所述微显示芯片并消除畸变；
所述第一、第三、第四透镜为偶次非球面凸透镜，所述第二透镜为球面双凹透镜；
所述第一、第三、第四透镜采用PMMA、COC或者COP树脂材料制成，该树脂材料的折射率为1.45～1.6，阿贝数为56～58；所述第二透镜采用火石玻璃材料制成，该玻璃材料的折射率为1.7～1.9，阿贝数为20～40。
2.根据权利要求1所述的眼镜式显示装置，其特征在于，所述微显示芯片与第一透镜之间的距离为3mm～10mm；所述微显示芯片与第四透镜之间的总长度小于50mm；所述人眼的观察位置与光传导平板之间的距离为10mm～25mm。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的眼镜式显示装置，其特征在于，所述光传导平板为多个部分反射面结合而成的光学平板，其厚度为2mm～3mm；其中每一个部分反射面与该光传导平板底面之间的夹角25度～45度，每一个部分反射面的反射率为20％～30％。
4.根据权利要求3所述的眼镜式显示装置，其特征在于，其出瞳尺寸为15mm×8mm，半视场为15度×9度。
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