CN102096194B - 一种光学透射投影式立体头盔显示器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种投影式的光学透射式头盔显示器系统。由近距微投影系统、分光镜和散射屏组成。近距微投影系统的结构比较特殊。它由目镜和投影物镜共同构成。透镜组2即充当目镜的作用，也是近距微投影系统的一部分。这样保证投影系统投射到屏幕上的像是清晰的实像。而成在散射屏幕上的图像经过目镜起到放大的作用，经过半反半透镜反射进入人眼，同时将图像成在较远的地方。

Description

一种光学透射投影式立体头盔显示器

技术领域

本发明涉及一种光学透射投影式立体头盔显示光学系统，特别适合于虚拟现实或增强现实系统。

背景技术

英国发明家CharlesWheatstone爵士在1838年发明了第一台基于视差原理的3D立体观屏器，但当时照片还没有发明出来，使用的手工画出来的图片。1859年OliverWendelHolmes改进了JosephBates的专利，发明了手持袖珍型观屏器，其原理一直流行到今天。由于长期以来立体观屏器的所观察的图像为图片，无法连续播放立体图像，其使用受到了一定的限制。头盔显示技术的立体视觉也是基于这一原理的。

图片显示的优势在于其尺寸可以做的比较大，由于是纸质，分辨率可以比较高，因此目视光学系统的结构可以很简单，同时无需驱动，整体质量轻。头盔显示技术的发展长期以来受到了显示技术制约。以往微显示器尺寸大，分辨率很低，无法实现紧凑型高清头盔显示器。同时因为是双目显示，微显示器的尺寸不能够太大，如果其尺寸大于双目间的距离，就会发生结构上的碰撞冲突而无法安放。另外一方面就是分辨率太低容易造成用户的视疲劳。现有的微显示器向着超小型高分辨率的方向发展，对系统的小型化具有重要的意义，但是显示器的小型化无疑大大增加了光学系统的设计难度，一方面是光学系统的有效焦距不断变小，视场要求很大，而要求的光阑直径比一般目镜的要大，需要8-13mm，这两方面的因素使系统的F数很小，设计难度大。

用传统旋转对称的光学系统难以实现光学透射式结构，即使能够实现，系统的重量很大，视场小。因此科学家们提出了投影式头盔显示器技术，该投影技术结合采用了投影式透镜结构和具有光路回返功能的返射屏(光路原光路返回，改屏表面由微角锥阵列组成)。该技术需要在环境表面预先贴上返射屏，通过投影物镜透射出的光线经过返射屏原光路返回最终进入人眼。因此可以实现小畸变大视场的头盔显示器。但是其缺点在于需要在使用环境下事先在环境表面上贴上一层返射屏，否则将看不到虚拟图像。为此近期Rolland教授等人提出了一种将返射屏集成到头盔显示器中的设计方案，但是由于返射屏离人眼太近是衍射效应非常明显，导致成像效果十分不理想。

现有旋转对称式结构头盔显示器存在的问题：

1.大的微型显示器不容易购买，且分辨率不高，高端尺寸较大的显示器价格十分昂贵；

2.不利于实现光学透射式头盔显示器；

3.大的微型显示器可能会发生结构上的物理碰撞；

4.大的微型显示器质量大；

5.为了减轻目镜质量采用非球面塑料玻璃设计。与传统投影式头盔显示器的不同之处在于：

1.所成中间像为实像，不采用回返屏，因此不会产生因为由于离回返屏太近而产生的衍射效应，导致成像模糊。

2.无需在使用环境下预先在物体表面贴上回返材料，可在特殊环境中的使用。

3.投影屏幕可以比较大，即使尺寸比双目间距大，也不会发生物理碰撞，可以通过分时复用的方式投影图像，实现立体视觉。

发明内容

传统旋转对称式结构难以实现大视场光学透射式头盔显示器。传统投影式头盔显示器虽然能够实现大视场光学透射式头盔显示器，但是需要在物体表面贴上返射材料，如果将其与头盔显示器集成一体，成像质量因返射材料的衍射效应会受到很大的影响。

为了解决传统旋转对称光学系统难于实现光学透射式大视场头盔显示器的问题，为了有效解决大显示器会发生物理结构的碰撞问题，为了解决现有投影式头盔显示器中投影系统离返射屏距离太近时成像不清晰的问题。本发明提出一种投影式的头盔显示器系统。由近距微投影系统、分光镜和散射屏组成。近距微投影系统的结构比较巧妙。它由目镜和投影物镜共同构成。透镜组2即充当目镜的作用，也是近距微投影系统的一部分。这样保证投影系统投射到屏幕上的像是清晰的实像。而成在散射屏幕上的图像经过目镜起到放大的作用，经过半反半透镜反射进入人眼，同时将图像成在较远的地方。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

附图1中的5为微显示器，4为近距微投影显示系统的后端成像部分，3为半反半透镜，2为目镜，也是近距微投影显示系统的前端显示部分。1为散射屏幕，近距微投影系统将在上面成实像。7为实际观察到图像所处的位置。光线经由微显示器发出，经过近距微投影系统的后端镜头，透过到以45度角安装的半反半透镜到达近距微投影系统的前端透镜最终成像在散射投影屏上，在投影屏上的图像再次经过目镜在半反半透镜上反射最终进入人眼。

图1是本发明的光学装置的结构原理图。

图2是本发明光学装置的优选实施例一的投影光学系统示图

图3是本发明光学装置的优选实施例一的目镜光学系统结构示图

图4是本发明光学装置的优选实施例二的投影光学系统示图

图5是本发明光学装置的优选实施例二的目镜光学系统结构示图

图6是本发明光学装置的优选实施例三的投影光学系统示图

图7是本发明光学装置的优选实施例三的目镜光学系统结构示图

图8是本发明光学装置的优选实施例四的投影光学系统示图

图9是本发明光学装置的优选实施例四的目镜光学系统结构示图

表1是本发明光学装置的优选实施例一的投影光学系统结构参数

表2是本发明光学装置的优选实施例一的目镜光学系统结构参数

表3是本发明光学装置的优选实施例二的投影光学系统结构参数

表4是本发明光学装置的优选实施例二的目镜光学系统结构参数

表5是本发明光学装置的优选实施例三的投影光学系统结构参数

表6是本发明光学装置的优选实施例三的目镜光学系统结构参数

表7是本发明光学装置的优选实施例四的投影光学系统结构参数

表8是本发明光学装置的优选实施例四的目镜光学系统结构参数

具体实施方式

首先应该理解，在本说明书中对所有附图中的相同结构元件用相同的标号表示。

虽然参考优选实施例对本发明进行描述，但本发明不限于这些公开的实施例。本发明将包括所有包含在所附权利要求范围内的各种改型和等同配置。

在本发明的详细描述中，下列定义表示：

正光焦度是一些透镜的特性，表明进入透镜的光线向透镜的光轴折射。

负光焦度是一些透镜的特性，表明进入透镜的光线远离透镜的光轴折射。

回返射屏是指表面由微小角锥棱镜构成的材料，光线在角锥内经过三次反射后沿原光路反方向返回。

前端投影系统是指近距微投影显示系统中位于光阑和微显示器之间的光学透镜组。

后端投影系统是指近距微投影显示系统中位于散射屏和光阑之间的光学透镜组。

下面将描述根据上述的机械拼接方式和光学拼接方式的拼接式头盔显示装置的具体实施例。然而，本发明并不限于下面所述的具体实施例。

第一实施例

图2示出了根据本发明的第一实施例的投影式头盔显示装置的近距微投影光学系统结构示意图；图3示出了根据本发明的第一实施例的投影式头盔显示装置的目镜光学系统示意图。如图2所示，根据本发明的第一实施例的投影式头盔显示装置近距微投影系统由目镜组和后投影镜头组成。为方便描述投影光学系统从显示屏到微显示器方向进行。从左到右依次为1，散射投影屏；101负光焦度的双凹透镜，102正光焦度的透镜，103正光焦度的透镜；104为近距微投影光学系统的光阑面；105为正光焦度的透镜，106为负光焦度的透镜，107为正光焦度的透镜，108为正光焦度的透镜。5为微显示器。为了确保近距微投影系统的后端透镜不会进入人眼的正常视野，同时也为了保证在103和104之间能够合理安放半反半透镜，103和104或105前表面之间的间隔至少要大于38mm。为了保证能够安放照明光路，其后工作距离至少大于10mm。投影系统要满足像方远心光路，即边缘视场主光线的入射角要小于一定的角度。近距微投影系统的放大倍率在2倍以上。

如附图3所示，目镜光学系统由透镜101，102和103组成。104为目镜光学系统的出瞳，出瞳大小为8mm，视场大小可以达到42度，光瞳104和透镜103前表面的原点距离为出瞳距，大小应达到44mm，以便于放置分光镜。透镜101、102和103的作用是将散射屏发出的光线准直到其出瞳104上，使光线以平行光进入人眼。

由于在103和104之间安放半反半透镜，因此用户可同时看到散射屏幕上的图像，也能看到真实世界的图像，即实现光学透射能力的头盔显示器。

表1和表2分别列出了第一实施例近距微投影和目镜光学系统各透镜表面的参数。

表1实例1结构近距微投影光学系统表面数据

表2实例1结构目镜光学系统表面数据

^*其中，折射率部分为小数点后面的部分，阿贝数为实际阿贝数去掉小数点。如折射率.阿贝数为739542.451991，其折射率为1.739542，阿贝数位45.1991。

第二实施例

图3示出了根据本发明的第一实施例的投影式头盔显示装置的近距微投影光学系统结构示意图；图4示出了根据本发明的第一实施例的投影式头盔显示装置的目镜光学系统示意图。如图3所示，根据本发明的第一实施例的投影式头盔显示装置近距微投影系统由目镜组和后投影镜头组成。为方便描述投影光学系统从显示屏到微显示器方向进行。从左到右依次为1散射投影屏；201负光焦度的双凹透镜，202正光焦度的透镜，203正光焦度的透镜；204为近距微投影光学系统的光阑面；205为正光焦度的透镜，206为负光焦度的透镜，207为正光焦度的透镜，208为正光焦度的透镜。5为微显示器。为了确保近距微投影系统的后端透镜不会进入人眼的正常视野，同时也为了保证在203和204之间能够合理安放半反半透镜，203和204或205前表面之间的间隔至少要大于38mm。为了保证能够安放照明光路，其后工作距离至少大于10mm。投影系统要满足像方远心光路，即边缘视场主光线的入射角要小于一定的角度。近距微投影系统的放大倍率在2倍以上。

如附图4所示，目镜光学系统由透镜201，202和203组成。204为目镜光学系统的出瞳，出瞳大小为8mm，视场大小可以达到42度，光瞳204和透镜203前表面的原点距离为出瞳距，大小应达到44mm，以便于放置分光镜。透镜201、202和203的作用是将散射屏发出的光线准直到其出瞳204上，使光线以平行光进入人眼。

由于在203和204之间安放半反半透镜，因此用户可同时看到散射屏幕上的图像，也能看到真实世界的图像，即实现光学透射能力的头盔显示器。

表3和表4分别列出了第二实施例近距微投影和目镜光学系统各透镜表面的参数。

表3实例2结构表面数据

表4实例2结构表面数据

第三实施例

图6示出了根据本发明的第一实施例的投影式头盔显示装置的近距微投影光学系统结构示意图；图7示出了根据本发明的第一实施例的投影式头盔显示装置的目镜光学系统示意图。如图6所示，根据本发明的第一实施例的投影式头盔显示装置近距微投影系统由目镜组和后投影镜头组成。为方便描述投影光学系统从显示屏到微显示器方向进行。从左到右依次为1，散射投影屏；301正光焦度的双凸透镜；302为近距微投影光学系统的光阑面；303为正光焦度的透镜，304为负光焦度的透镜，305为正光焦度的透镜，306为正光焦度的透镜。5为微显示器。为了确保近距微投影系统的后端透镜不会进入人眼的正常视野，同时也为了保证在301和302之间能够合理安放半反半透镜，301和302或303前表面之间的间隔至少要大于38mm。为了保证能够安放照明光路，其后工作距离至少大于10mm。投影系统要满足像方远心光路，即边缘视场主光线的入射角要小于一定的角度。近距微投影系统的放大倍率在2倍以上。

如附图7所示，目镜光学系统由透镜301组成。302为目镜光学系统的出瞳，出瞳大小为8mm，视场大小可以达到42度，光瞳302和透镜301前表面的原点距离为出瞳距，大小应达到44mm，以便于放置分光镜。透镜301的作用是将散射屏发出的光线准直到其出瞳302上，使光线以平行光进入人眼。

由于在301和302之间安放半反半透镜，因此用户可同时看到散射屏幕上的图像，也能看到真实世界的图像，即实现光学透射能力的头盔显示器。

表5和表6分别列出了第三实施例近距微投影和目镜光学系统各透镜表面的参数。

表5实例3结构表面数据

表6实例3目镜结构表面数据

第四实施例

图8示出了根据本发明的第一实施例的投影式头盔显示装置的近距微投影光学系统结构示意图；图9示出了根据本发明的第一实施例的投影式头盔显示装置的目镜光学系统示意图。如图8所示，根据本发明的第一实施例的投影式头盔显示装置近距微投影系统由目镜组和后投影镜头组成。为方便描述投影光学系统从显示屏到微显示器方向进行。从左到右依次为1，散射投影屏；401负光焦度的双凹透镜，402正光焦度的透镜；403为近距微投影光学系统的光阑面；404为正光焦度的透镜，405为正光焦度的透镜，406为负光焦度的透镜，407为正光焦度的透镜，408为正光焦度的透镜。5为微显示器。为了确保近距微投影系统的后端透镜不会进入人眼的正常视野，同时也为了保证在402和403之间能够合理安放半反半透镜，402和403或404前表面之间的间隔至少要大于38mm。为了保证能够安放照明光路，其后工作距离至少大于10mm。投影系统要满足像方远心光路，即边缘视场主光线的入射角要小于一定的角度。近距微投影系统的放大倍率在2倍以上。

如附图9所示，目镜光学系统由透镜401和402组成。403为目镜光学系统的出瞳，出瞳大小为8mm，视场大小可以达到42度，光瞳403和透镜402前表面的原点距离为出瞳距，大小应达到44mm，以便于放置分光镜。透镜401和402的作用是将散射屏发出的光线准直到其出瞳404上，使光线以平行光进入人眼。

由于在402和403之间安放半反半透镜，因此用户可同时看到散射屏幕上的图像，也能看到真实世界的图像，即实现光学透射能力的头盔显示器。

表7和表8分别列出了第四实施例近距微投影和目镜光学系统各透镜表面的参数。

表7实例4结构参数

表8实例4结构参数

已经通过示例的方式给出优选实施例的上述描述。从所给公开的内容，本领域的技术人员将不仅理解到本发明及其伴随的优势，也将知道所公开的结构和方法的多种变化和改变。因此，申请人试图覆盖落入本发明精神和范围内的全部这样的变化和改变，本发明精神和范围如所附权利要求及其等价体所限定。

Claims (3)

1.一种光学透射式头盔显示装置，由三个关键元件构成，其中包括:

具有一个散射投影屏；

具有一个半反半透式分光镜；

具有一个光学近距微投影系统；

其视场角至少达到42度；

所述光学近距微投影系统由前端透镜组(2)、后端透镜组(4)、微显示器(5)和照明光路共同组成，后端透镜组(4)靠近微显示器，前端透镜组(2)则靠近散射投影屏；其应当具备以下特征：

满足像方远心光路；后工作距大于等于10mm；F数小于3；

光学近距微投影系统放大倍率应大于3倍。

2.如权利要求1所述的光学透射式头盔显示装置，其中，所述散射投影屏位于光学近距微投影系统的最上端。

3.如权利要求1所述的光学透射式头盔显示装置，所述半反半透式分光镜放置于光学近距微投影系统的前端透镜组(2)和后端透镜组(4)之间。