CN102782562A - 宽视场高分辨率拼接式头盔显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种拼接式头盔显示装置，其包括：光学部件，包括多个自由形式表面棱镜，每个棱镜为包含第一光学面、第二光学面和第三光学面的楔形棱镜；和显示部件，包括多个微型显示器。微型显示器的数量等于自由形式表面棱镜的数量。根据本发明的拼接式头盔显示装置结构紧凑、重量轻，提供了宽视角和高分辨率，尤其对于光学拼接的头盔显示装置，且各显示通道的出瞳面重合匹配，避免了光瞳像差，保证了出瞳大小和出瞳距离不变。而且视场内的各处分辨率不会出现差别，因此避免了引起附加的梯形畸变。通过简单地在自由形式棱镜之后加入辅助自由形式透镜，根据本发明的拼接式头盔显示装置还可易于应用于增强现实。

Description

宽视场高分辨率拼接式头盔显示装置

技术领域

本发明涉及一种拼接式头盔显示装置，并且特别地，本发明涉及一种包括采用自由形式表面的楔形棱镜的拼接式头盔显示装置。

背景技术

用于虚拟现实和增强显示的头盔图像显示装置是近年来显示领域的热门产品，取得了长足的发展。头盔图像显示装置可以应用于如3D电影、视频游戏和运动等应用，也可以应用于如科学研究、医疗/业务培训、飞行训练、沉浸式娱乐等高端应用。为了成为有用和有效的显示系统，头盔显示装置必须能够产生高真实度和宽视场的景象。它也需要结构紧凑、重量轻，以减轻用户的颈部的疲劳。

头盔显示装置典型地由三个部分构成：显示部件、光学系统和头盔。为了减轻头盔显示装置的重量，关键的是使用具有短焦距和微型显示器的光学系统。但光学系统的紧凑性与头盔显示装置的成像质量的要求之间存在一定的矛盾。对于头盔显示装置而言，需要使得光学系统具有比较大的视场和出瞳直径。大的视场增加了浸没感且允许用户更好地观察动态物体。而大出瞳直径可以允许用户在观察过程中眼珠能随意转动而不至于丢失图像。而且它也允许具有不同瞳间距的各种用户来使用该系统，而无需调整头盔的瞳间距。然而，光学系统的视场、出瞳直径、光学系统的分辨率三者之间有相互制约的关系，因此同时达到大视场，大出瞳直径和高分辨率并不容易。

对于针对每只眼采用具有单个微型显示器的单显示通道的传统的头盔显示器光学系统，其视场角和分辨率存在以下的关系：R＝N/FOV，其中R为显示系统的分辨率，N为单个微型显示器分辨率，FOV为显示系统的视场角。在N为一定值时，R与FOV相互制约，即视场角大时系统分辨率必然降低，因此采用单个显示通道的传统的头盔显示器光学系统很难同时满足大视场和高分辨率的要求。

在J.E.Melzer的论文“Overcoming the field-of-view/resolution invariant inhead-mounted displays(克服头盔显示装置中视场/分辨率不变量)”Proc.SPIE，Vol.3362，284(1998)，L.G.Brown的论文“Applications of the Sensics panoramicHMD(Senscics全景头盔应用)”，SID Symposium Digest 39，77(2008)，以及M.Gutin的论文“Automated design and fabrication of ocular optics(目视光学的自动设计与加工)”，Proc.SPIE 7060，(2008)中，提出了一种基于传统的旋转对称目镜的拼接式头盔光学显示系统。图1a示出了该光学拼接系统的示意图以及该系统的各显示通道的畸变校正情况示意图，而图1b示出了在微型显示器显示规则矩形图像的情况下，通过将两个旋转对称目镜拼接而成的系统在屏幕上观察到的图像的示意图。

如图1a所示，基于传统的旋转对称目镜的该拼接式头盔光学显示系统需要将较多数量的目镜拼接在一起，才能获得令人满意的视场。由于各显示通道及其对应的微型显示器与用户的实际视线发生旋转偏移，造成显示通道的像面倾斜。在该情形，拼接系统各处的图像放大率发生改变，导致位于边缘的显示器在光瞳中所呈现的图像发生畸变。如图1b所示，微型显示器显示的规则矩形图像通过该旋转对称拼接目镜的系统则被观察为梯形的形状。因此该光学拼接系统需要进行预畸变校正，否则人眼观察到的将是失真的像。举例而言，该系统对于规则矩形图像的畸变预处理如图1a的右侧图所示，位于中心的显示通道显示器图像不变，仍为规则矩形；而位于边缘的显示通道显示器的图像需做图示的畸变处理，成为梯形。

另外，由于拼接过程中需要将位于边缘的目镜绕系统的出瞳中心旋转，所以出瞳距离，也就是人眼到拼接目镜的最小距离减小。如图1a所示，该光学拼接系统的出瞳距离ec′小于单显示通道目镜的出瞳距离ec。因此要满足头盔显示系统的整体的出瞳距离要求，使其也可用于例如戴眼镜或面具的用户，必须增大单个目镜的出瞳距离。而且，各单通道目镜的出瞳面不重合，相互倾斜。因此用户的眼睛转动时很容易看到不连续的图像，系统有效出瞳直径减小，还可能引起光瞳像差。另外，在图1a所示的系统中，旋转对称目镜位于人眼和微型显示器的之间。如要头盔显示系统被用于增强现实，则要加入半反射半透射光学部件以满足光学透射和反射的要求，同时又为了保证最小的出瞳距离(半反射镜到人眼)，目镜尺寸会进一步增加。对于多个目镜拼接而成的系统而言，光学系统的结构大大复杂化，光学系统的重量和大小都随之显著增加。

而且，该旋转对称目镜的拼接工艺复杂，需要额外加工拼接面。对于该拼接系统，每个目镜的拼接面的位置和角度随着目镜在拼接系统中的位置的不同有所差异。位于中心的目镜需要加工出三到四个倾斜的拼接面。不同位置的目镜的拼接面加工要求也不相同。因此，该拼接系统在位置精度要求比较高的情况下的加工和装调都十分困难。

因此，需要一种新型的具有大视场和高分辨率的头盔显示装置。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种拼接式头盔显示装置，其包括：光学部件，包括多个自由形式表面棱镜，每个棱镜为包含第一光学面、第二光学面和第三光学面的楔形棱镜；和显示部件，包括多个微型显示器。微型显示器的数量等于自由形式表面棱镜的数量。每个自由形式表面棱镜和其对应的微型显示器构成一个显示通道。

该拼接式头盔显示装置的坐标系定义为：全局坐标原点O位于出瞳中心(眼瞳)，Z轴为人眼视线方向，Y轴垂直于Z轴且方向沿着人眼正上方；X轴垂直Y轴与Z轴，构成笛卡尔坐标系。

多个显示通道以马赛克样式拼接，类似于电视墙，使得拼接后的多个显示通道的总视场相当于来自单个显示通道的视场的邻接在一起。拼接装置的的每个显示通道的出瞳中心均位于共同的一点，即眼瞳中心。

该棱镜可以包括相对于X轴按逆时针布置的第一光学面、第二光学面和第三光学面。第一光学面和第二光学面均为自由形式表面，第三光学面选自自由形式表面、球面或非球面。第一光学面为透射面，第二光学面为凹面形状的反射面或半折射半反射表面，且第三光学面为透射面。

第一光学面、第二光学面和第三光学面的自由形式表面的表面方程应满足方程(1)至(5)中的一种：

$z=\frac{c_x{x}^2+c_y{y}^2}{1+\{1-(1+k_x)c_x^2{x}^2-(1+k_y)c_y^2{y}^2{\}}^{1/2}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{\{(1-P_i)x^2+(1+P_i)y^2\}}^{i+1}---\left(1\right)$

其中z是沿局部x、y、z坐标系统的z轴测量的自由形式表面的垂度，c_x是在X-Z平面内X方向的曲率半径，c_y是在Y-Z平面内Y方向的曲率半径，k_x是X方向的二次曲线系数，k_y是曲面Y方向的二次曲线系数，A_i是4，6，8，10，...2n阶非球面系数，P_i是4，6，8，10，...2n阶非旋转对称系数，且该表面关于Z轴旋转对称，；

$z=\frac{c(x^2+y^2)}{1+\mathrm{sqrt}(1-(1+k)c^2(x^2+y^2))}+\underset{j=2}{\overset{66}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j{x}^m{y}^n,j=[{(m+n)}^2+m+3n]/2+1---\left(2\right)$

其中z是沿局部x、y、z坐标系统的z轴测量的自由形式表面的垂度，c为表面的曲率半径，C_j为多项式系数，k是二次曲线系数，m为偶数；

$z=\frac{c(x^2+y^2)}{1+\mathrm{sqrt}(1-(1+k)c^2(x^2+y^2))}+\underset{j=1}{\overset{66}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{j+1}{Z}_j---\left(3\right)$

其中z是沿局部x、y、z坐标系统的z轴测量的自由形式表面的垂度，c是表面的曲率半径，k是二次曲线系数，Z_j是Zernike多项式，C_j+1是Z_j的系数；

$z=\frac{c_x{x}^2+c_y{y}^2}{1+\mathrm{sqrt}(1-(1+k_x)c_x{x}^2-(1+k_y)c_y{y}^2)}+\underset{j=1}{\overset{37}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j{x}^{2m}{y}^n,2m+n\≤10,m=\mathrm{0,1,2,3,4,5},,=\mathrm{0,1},...,10---\left(4\right)$

其中z是沿局部x、y、z坐标系统的z轴测量的自由形式表面的垂度，c是顶点的曲率半径，k是二次曲线系数，c_x是在弧矢方向的表面曲率半径，c_y是在切向方向的表面曲率半径，C_j是x^2myⁿ的系数；

$z=\frac{{\mathrm{cx}}^2}{1+{[1-(1+k)c^2{x}^2]}^{1/2}}+{\mathrm{Ax}}^4+{\mathrm{Bx}}^6+{\mathrm{Cx}}^8+{\mathrm{Dx}}^{10}---\left(5\right)$

其中z是沿局部x、y、z坐标系统的z轴测量的自由形式表面的垂度，c为曲率半径，k为二次曲面系数，A、B、C、D分别为4、6、8、10阶非球面系数。

根据本发明的一个实施例，多个显示通道采用机械拼接方式进行拼接，其中每个棱镜的第一光学面、第二光学面和第三光学面满足以下条件(6)-(8)：

$\left\{\begin{array}{c}0.25<Z_{{\mathrm{Pa}}^{\&prime;}}-Z_{\mathrm{Pa}}<3\\ Y_{{\mathrm{Pa}}^{\&prime;}}-Y_{\mathrm{Pa}}<0\\ Y_{{\mathrm{Pa}}^{\&prime;\&prime;}}-Y_{\mathrm{Pa}}>0\end{array}\right.---\left(6\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_{{\mathrm{Pb}}^{\&prime;}}-Y_{\mathrm{Pb}}>0\\ -1.5<Z_{{\mathrm{Pb}}^{\&prime;}}-Z_{\mathrm{Pb}}<0\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}-2<Y_{\mathrm{Pc}}-Y_{{\mathrm{Pc}}^{\&prime;}}\&le;0\\ 0<Z_{\mathrm{Pc}}-Z_{P{c}^{\&prime;}}<1\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中R_u是正Y方向最大视场上边缘光线，R_b为负Y方向最大视场下边缘光线；P_a为R_b透射通过第一光学面时的交点，P_a′为R_b与第二光学面的交点，P_a″为全反射时R_b与第一光学面的交点；P_b为R_u与第二光学面的交点，P_b′为R_b与第三光学面的交点；P_c为R_u在第一光学面反射时的交点，P_c′为Ru与第三光学面的交点，Y、Z分别为各点在全局坐标系下的坐标。

所述自由形式表面棱镜还应满足关于Ru在第一光学面上的入射角的以下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{mi}1}>\arcsin (1/n)\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{mi}2}<\arcsin (1/n)\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中θ_mi1为Ru从液晶显示器出发第一次入射到第一光学面时的入射角，θ_mi2为Y方向Ru第二次入射到第一光学面时的入射角，n为棱镜材料折射率。

所述机械拼接方式包括第一机械拼接方式和第二机械拼接方式。在所述第一机械拼接方式中，要被拼接的两个棱镜的底面经机加工处理且然后粘接在一起，该底面位于第一光学面和第二光学面之间。在所述第二机械拼接方式中，要被拼接的两个棱镜的侧面经机加工处理且然后粘接在一起，所述侧面与该棱镜的第一光学面、第二光学面和第三光学面均相交。

根据本发明的另一个实施例，多个显示通道采用光学拼接方式进行拼接，其中每个棱镜的第一光学面、第二光学面和第三光学面满足以下条件(10)-(12)：

22≤Z_Pd≤28          (10)

1.5＜Z_Pd′-Z_Pd＜3    (11)

Z_Pc≥18              (12)

其中，P_c为全反射时R_u与第一光学面的交点，P_d为水平视场主光线R_c与第一光学面的交点，P_d为R_c与第二光学面的交点。

所述光学拼接方式包括第一光学拼接方式和第二光学拼接方式。在所述第一光学拼接方式中，要被拼接的两个棱镜的底面被直接粘接在一起。该棱镜的底面位于第一光学面和第二光学面之间。在所述第二光学拼接方式中，要被拼接的两个棱镜的侧面被直接粘接在一起，所述侧面与该棱镜的第一光学面、第二光学面和第三光学面均相交。

所述自由形式表面棱镜所用光学材料的折射率和阿倍数满足1.4＜N_d1＜1.8和V_d1＞20。

所述自由形式表面棱镜的一阶焦距f满足：14＜f＜27mm。

在第一实施例中，所述头盔显示装置包括通过第一机械拼接方式拼接的第一显示通道和第二显示通道，第一显示通道在YOZ面绕全局坐标系X轴旋转第一角度，而第二显示通道则绕人眼视线方向Z轴旋转±180°后再绕全局坐标系X轴反方向旋转第一角度。根据第一实施例的拼接式头盔显示装置的水平方向视场角至少为50度，垂直方向视场角至少为40度。

在第二实施例中，所述头盔显示装置包括通过第二机械拼接方式拼接的第一显示通道和第二显示通道，第一显示通道在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第二显示通道绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度。根据第二实施例的头盔显示装置的水平方向视场角至少为70度，垂直方向视场角至少为30度。

在第三实施例中，所述头盔显示装置包括绕全局坐标系Y轴旋转一预定角度的第一显示通道、第二显示通道和第三显示通道，第二显示通道通过第二机械拼接方式分别与第一显示通道和第三显示通道拼接。根据第三实施例的头盔显示装置的水平方向视场角至少为100度，垂直方向视场角至少为30度。

在第四实施例中，所述头盔显示装置包括绕全局坐标系Y轴旋转一预定角度的第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道，第二显示通道通过第二机械拼接方式分别与第一显示通道和第三显示通道拼接，第三显示通道通过第二机械拼接方式分别与第二显示通道和第四显示通道拼接。根据第四实施例的头盔显示装置的水平方向视场角至少为120度，垂直方向视场角至少为30度。

在第五实施例中，所述头盔显示装置包括第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道，第一显示通道和第三显示通道在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第二显示通道和第四显示通道绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度；第一显示通道和第二显示通道通过第二机械拼接方式拼接，第三显示通道和第四显示通道通过第二机械拼接方式拼接，第一显示通道和第三显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第二显示通道和第四显示通道通过第一机械拼接方式拼接。根据第五实施例的头盔显示装置的水平方向视场角至少为70度，垂直方向视场角至少为50度。

在第六实施例中，所述头盔显示装置包括第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道、第五显示通道和第六显示通道，第一显示通道、第二显示通道和第三显示通道绕全局坐标系Y轴旋转一预定角度，第四显示通道、第五显示通道和第六显示通道绕全局坐标系Y轴旋转该预定角度；第二显示通道通过第二机械拼接方式分别和第一显示通道和第三显示通道拼接，第五显示通道通过第二机械拼接方式分别和第四显示通道和第六显示通道拼接，第一显示通道和第四显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第二显示通道和第五显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第三显示通道和第六显示通道通过第一机械拼接方式拼接。根据第六实施例的头盔显示装置的水平方向视场角至少为100度，垂直方向视场角至少为50度。

在第七实施例中，所述头盔显示装置包括第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道、第五显示通道、第六显示通道、第七显示通道和第八显示通道，第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道绕全局坐标系Y轴旋转一预定角度，第五显示通道、第六显示通道和第七显示通道和第八显示通道绕全局坐标系Y轴旋转该预定角度；第二显示通道通过第二机械拼接方式分别和第一显示通道和第三显示通道拼接，第三显示通道通过第二机械拼接方式分别和第二显示通道和第四显示通道拼接；第六显示通道通过第二机械拼接方式分别和第五显示通道和第七显示通道拼接，第七显示通道通过第二机械拼接方式分别和第六显示通道和第八显示通道拼接；第一显示通道和第五显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第二显示通道和第六显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第三显示通道和第七显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第四显示通道和第八显示通道通过第一机械拼接方式拼接。根据第七实施例的头盔显示装置的水平方向视场角至少为120度，垂直方向视场角至少为50度。

在第八实施例中，所述头盔显示装置包括通过第一光学拼接方式拼接的第一显示通道和第二显示通道，第一显示通道在YOZ面绕全局坐标系的X轴旋转第一角度，而第二显示通道则绕Z轴旋转±180°后再绕全局坐标系X轴反方向旋转第一角度。根据第八实施例的头盔显示装置的水平方向视场角至少为50度，垂直方向视场角至少为40度。

在第九实施例中，所述头盔显示装置包括通过第二光学拼接方式拼接的第一显示通道和第二显示通道，第一显示通道在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第二显示通道绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度。根据第九实施例的头盔显示装置的水平方向视场角至少为70度，垂直方向视场角至少为30度。

在第十实施例中，所述头盔显示装置包括第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道，第一显示通道和第三显示通道在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第二显示通道和第四显示通道绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度；第一显示通道和第二显示通道通过第二光学拼接方式拼接，第三显示通道和第四显示通道通过第二光学拼接方式拼接，第一显示通道和第三显示通道通过第一光学拼接方式拼接，第二显示通道和第四显示通道通过第一光学拼接方式拼接。根据第十实施例的头盔显示装置的水平方向视场角至少为70度，垂直方向视场角至少为50度。

根据本发明的另一方面，拼接头盔显示装置还包括多个自由形式表面的辅助透镜，每个自由形式表面辅助透镜与对应的自由形式表面棱镜配合，使得对于增强现实应用，人眼能够观察外界场景。所述自由形式表面棱镜的第二光学面为半透射半反射面。

根据本发明的光学拼接式头盔显示装置结构紧凑、重量轻，且其各显示通道的出瞳面重合匹配，避免了光瞳像差，保证了出瞳大小和出瞳距离不变。而且视场内的各处放大率相同，因此避免了引起附加的畸变。根据本发明的拼接式头盔显示装置易于应用于增强现实。而与之相比，对于传统增强现实的头盔显示装置，为了实现光学透射，需要引入半反半透镜来折叠光路，使结构更为复杂，体积重量都显著增加。

另外，由于根据本发明的自由形式表面棱镜的光学面可以一起连续形成为大的光学面，所以每个大表面可以被一次加工，而无需额外加工拼接面。而且，还可以根据需要将各显示通道相对应的光学表面(如第一光学面或第二光学面)整体加工成一个表面。因此根据本发明可以降低拼接工艺的难度和复杂度。

附图说明

本发明将根据以下的详细说明以及仅为图示给出的附图更全面地被理解，且由此不作为对于本发明的限制。

图1a和图1b为本发明中基于传统的旋转对称目镜的拼接式头盔光学显示系统示意图；

图2a为本发明中根据本发明的拼接式头盔显示装置的一个显示通道的二维结构示意图；图2b为本发明中为本发明中根据本发明的拼接式头盔显示装置的一个显示通道的三维结构示意图；

图3为根据本发明中的采用机械拼接方式的拼接式头盔显示装置的一个显示通道的光学系统二维结构示意图；

图4为根据本发明中的采用光学拼接方式的拼接式头盔显示装置的一个显示通道的光学系统二维结构示意图；

图5a为根据本发明中的第一实施例的拼接式头盔显示装置的结构示意图；图5b为根据本发明中的第一实施例的拼接式头盔显示装置的视场示意图；

图6a为根据本发明中的第二实施例的拼接式头盔显示装置的结构示意图；图6b为根据本发明中的第二实施例的拼接式头盔显示装置的视场示意图；

图7a为根据本发明中的第三实施例的拼接式头盔显示装置的结构示意图；图7b为根据本发明中的第三实施例的拼接式头盔显示装置的视场示意图；

图8a为根据本发明中的第四实施例的拼接式头盔显示装置的结构示意图；图8b为根据本发明中的第四实施例的拼接式头盔显示装置的视场示意图；

图9a为根据本发明中的第五实施例的拼接式头盔显示装置的结构示意图；图9b为根据本发明中的第五实施例的拼接式头盔显示装置的视场示意图；

图10a为根据本发明中的第六实施例的拼接式头盔显示装置的结构示意图；图10b为根据本发明中的第六实施例的拼接式头盔显示装置的视场示意图；

图11a为根据本发明中的第七实施例的拼接式头盔显示装置的结构示意图；图11b为根据本发明中的第七实施例的拼接式头盔显示装置的视场示意图；

图12为根据本发明中的应用于增强现实的拼接式头盔显示装置的一个显示通道的二维结构示意图；

图13a为根据本发明中的应用于增强现实的拼接式头盔显示装置的第一实施例的二维结构示意图；图13b为根据本发明中的应用于增强现实的拼接式头盔显示装置的第一实施例的三维结构示意图；

图14为根据本发明中的应用于增强现实的拼接式头盔显示装置的第一实施例被用户佩戴使用的示意图。

具体实施方式

现将参考附图更加全面地描述根据本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实现且不应解释为限于这里阐述的实施例。而是，提供这些实施例使得本公开充分和完整，且向那些本领域的技术人员全面地传达本发明的构思。另外，各个实施例中的特征也可以按照下述实施例之外的方式组合，组合后的技术方案仍落在本申请的范围之内。

图2a和2b分别示出了根据本发明的拼接式头盔显示装置的一个显示通道的二维结构示意图和三维结构示意图。在该示意图中，系统坐标系定义为：全局坐标原点O为出瞳中心，Z轴为人眼视线方向；Y轴垂直于Z轴且方向沿着人眼正上方；X轴垂直Y轴与Z轴，构成笛卡尔坐标系。根据本发明的拼接式头盔显示装置的一个显示通道可包含一个具有三个光学表面的自由形式表面棱镜和一个微型图像显示器。由于该显示通道采用反向光路设计，即光线从人眼出发，经过自由形式表面棱镜折反射然后到达图像显示器。为方便描述，元件及表面序号从出瞳开始。1为出瞳。棱镜包括相对于X轴按逆时针依次布置的第一光学面2、第二光学面3和第三光学面4。第一光学面2和第二光学面3均为自由形式表面，第三光学面4可选自自由形式表面、球面或非球面。第一光学面2相对于观察者侧例如为凹面形状的透射面。第二光学面3相对于观察者侧例如为凹面形状的反射面或半透射半反射面，起放大图像的作用。当拼接式头盔显示装置用于虚拟现实，该第三光学面4相对于观察者侧为凹面形状的透射面。如图2a所示，根据本发明的头盔显示装置的实际光路是自微型显示装置5开始。由例如LCD的微型显示装置5发出的光先经过第三光学面4进入棱镜，然后在第一光学面2内侧上发生全反射，经过第二光学面3反射，最后再次经过第一光学面2进入人眼。

第一光学面2、第二光学面3和第三光学面4的自由形式表面的表面方程可满足条件方程(1)-(5)中的任一个：

$z=\frac{c_x{x}^2+c_y{y}^2}{1+\{1-(1+k_x)c_x^2{x}^2-(1+k_y)c_y^2{y}^2{\}}^{1/2}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i{\{(1-P_i)x^2+(1+P_i)y^2\}}^{i+1}---\left(1\right)$

其中z是沿局部x、y、z坐标系统的z轴测量的自由形式表面的垂度，c_x是在X-Z平面内X方向的曲率半径，c_y是在Y-Z平面内Y方向的曲率半径，k_x是X方向的二次曲线系数，k_y是曲面Y方向的二次曲线系数，A_i是4，6，8，10，...2n阶非球面系数，P_i是4，6，8，10，...2n阶非旋转对称系数，且该表面关于Z轴旋转对称，；

$z=\frac{c(x^2+y^2)}{1+\mathrm{sqrt}(1-(1+k)c^2(x^2+y^2))}+\underset{j=2}{\overset{66}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_j{x}^m{y}^n,j=[{(m+n)}^2+m+3n]/2+1---\left(2\right)$

其中z是沿局部x、y、z坐标系统的z轴测量的自由形式表面的垂度，c为表面的曲率半径，C_j为多项式系数，k是二次曲线系数，m为偶数；

$z=\frac{c(x^2+y^2)}{1+\mathrm{sqrt}(1-(1+k)c^2(x^2+y^2))}+\underset{j=1}{\overset{66}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_{j+1}{Z}_j---\left(3\right)$

其中z是沿局部x、y、z坐标系统的z轴测量的自由形式表面的垂度，c是表面的曲率半径，k是二次曲线系数， Z_j是Zernike多项式，C_j+1是Z_j的系数；

$z=\frac{c_x{x}^2+c_y{y}^2}{1+\mathrm{sqrt}(1-(1+k_x)c_x{x}^2-(1+k_y)c_y{y}^2)}+\underset{j=1}{\overset{37}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_j{x}^{2m}{y}^n,2m+n\&le;10,m=\mathrm{0,1,2,3,4,5},,=\mathrm{0,1},...,10---\left(4\right)$

其中z是沿局部x、y、z坐标系统的z轴测量的自由形式表面的垂度，c是顶点的曲率半径，k是二次曲线系数，c_x是在弧矢方向的表面曲率半径，c_y是在切向方向的表面曲率半径，C_j是x^2myⁿ的系数；

$z=\frac{{\mathrm{cx}}^2}{1+{[1-(1+k)c^2{x}^2]}^{1/2}}+{\mathrm{Ax}}^4+{\mathrm{Bx}}^6+{\mathrm{Cx}}^8+{\mathrm{Dx}}^{10}---\left(5\right)$

其中z是沿局部x、y、z坐标系统的z轴测量的自由形式表面的垂度，c为曲率半径，k为二次曲面系数，A、B、C、D分别为4、6、8、10阶非球面系数。

每个显示通道的微型图像显示器可以为任何类型的平面显示器，例如液晶显示器、OLED显示器。而棱镜可以由选自塑料、玻璃等的光学材料经过注塑成型、微机械加工等工艺而形成，因此本说明书在此不作详细说明。

根据本发明的拼接式头盔显示装置包括多个显示通道，每个显示通道包括具有上述自由形式表面的棱镜和与其对应的微型显示器。多个显示通道拼接，使得拼接的装置的总视场可以基本是每个显示通道的单独视场的叠加，并且拼接的装置中的每个显示通道的出瞳中心均一致。

根据本发明的拼接式头盔显示装置的拼接方式分为机械拼接方式和光学拼接方式。图3示出了根据本发明的采用机械拼接方式的拼接式头盔显示装置的一个显示通道的光学系统二维结构示意图。图4示出了根据本发明的采用光学拼接方式的拼接式头盔显示装置的一个显示通道的光学系统二维结构示意图。

所述拼接的方法包括将显示通道的自由形式表面棱镜通过粘接、胶合、接合、焊接、一体注塑成型的方法进行拼接。

当多个显示通道采用根据本发明的所谓的机械拼接方式进行拼接时，如图3所示，每个棱镜101的第一光学面2、第二光学面3和第三光学面4可满足以下条件(6)-(8)：

$\left\{\begin{array}{c}0.25<Z_{{\mathrm{Pa}}^{\&prime;}}-Z_{\mathrm{Pa}}<3\\ Y_{{\mathrm{Pa}}^{\&prime;}}-Y_{\mathrm{Pa}}<0\\ Y_{{\mathrm{Pa}}^{\&prime;\&prime;}}-Y_{\mathrm{Pa}}>0\end{array}\right.---\left(6\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_{{\mathrm{Pb}}^{\&prime;}}-Y_{\mathrm{Pb}}>0\\ -1.5<Z_{{\mathrm{Pb}}^{\&prime;}}-Z_{\mathrm{Pb}}<-0.2\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}-2<Y_{\mathrm{Pc}}-Y_{{\mathrm{Pc}}^{\&prime;}}\&le;0\\ 0<Z_{\mathrm{Pc}}-Z_{P{c}^{\&prime;}}<1\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中R_u是正Y方向最大视场上边缘光线，R_b为负Y方向最大视场下边缘光线；P_a为R_b透射穿过第一光学面2时的交点，P_a′为R_b与第二光学面3的交点，P_a″为R_b与第一光学面2发生全反射时的交点；P_b为R_u与第二光学面3的交点，P_b′为R_b与第三光学面4的交点；P_c为R_u在第一光学面2上反射时的交点，P_c′为R_u与第三光学面4的交点，Y、Z分别为各点在全局坐标系下的坐标。

所述棱镜101还应满足Ru在第一光学面上的入射角的以下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{mi}1}>\arcsin (1/n)\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{mi}2}<\arcsin (1/n)\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中θ_mi1为从显示器发射的Ru第一次入射到第一光学面2时的入射角，θ_mi2为Ru第二次入射第一光学面2时的入射角，n为棱镜材料折射率。

机械拼接方式可以包括第一机械拼接方式和第二机械拼接方式。在第一机械拼接方式中，两个棱镜的底面12经受机械加工，比如切割和抛光，然后粘接在一起。在图3中，底面12由虚线表示，位于第一光学面2和第二光学面3之间。在第二机械拼接方式中，两个棱镜的侧面，例如图2a中的侧面22和23经历比如切割和抛光的机械加工，然而粘接在一起。该侧面与该棱镜的第一光学面2、第二光学面3和第三光学面4均相交。

当多个显示通道采用所谓光学拼接方式进行拼接时，如图4所示，每个棱镜102的第一光学面2、第二光学面3和第三光学面4满足以下条件(10)-(12)：

22≤Z_Pd≤28          (10)

1.5＜Z_Pd′-Z_Pd＜3    (11)

Z_Pc≥18              (12)

其中，P_c为R_u与第一光学面2发生全反射时的交点，P_d为水平视场主光线R_c与第一光学面2的交点，P_d为R_c与第二光学面3的交点。

与机械拼接方式类似，光学拼接方式也包括第一光学拼接方式和第二光学拼接方式。在第一光学拼接方式中，在要被拼接的两个显示通道中的两个棱镜的底面11可以直接被粘接在一起，或者两个棱镜可以通过注射成形而一体形成，底面11位于第一光学面2和第二光学面3之间，在第二光学拼接方式中，两个棱镜的侧面可以直接被粘接在一起，或者两个棱镜可以通过注射成形而一体形成，所述侧面与棱镜的第一光学面、第二光学面和第三光学面相交。

因为在机械拼接装置中，显示通道相对于它们的最初位置倾斜，由机械拼接方法形成的拼接头盔显示装置的出瞳直径和出瞳距离小于由光学拼接方式形成的头盔显示装置的出瞳直径和出瞳距离。对于机械拼接方式形成的头盔显示装置，需要校正梯形畸变。而对于光学拼接方式形成的头盔显示装置，则无需调整因位置变化而引起的梯形畸变，而且人眼转动时也不会看到不连续的图像。在一些情形，用户可能在由机械拼接方式形成的拼接式头盔显示装置的十成中看到不同显示通道之间缝隙，而由光学拼接方式形成的头盔显示装置则不会有这个问题。

下面将描述描述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5a示出了根据本发明的第一实施例的拼接式头盔显示装置的结构示意图；图5b示出了根据本发明的第一实施例的拼接式头盔显示装置的视场示意图。如图5a所示，根据本发明的第一实施例的头盔显示装置可以包括通过第一机械拼接方式拼接的第一显示通道501和第二显示通道502。第一显示通道501在YOZ面绕全局坐标系X轴旋转第一角度，而第二显示通道502则绕Z轴旋转±180°后再绕全局坐标系X轴反方向旋转第一角度。如图5b所示，根据本发明的第一实施例的拼接式头盔显示装置的水平方向视场角至少为50度，垂直方向视场角至少为40度。

第二实施例

图6a示出了根据本发明的第二实施例的拼接式头盔显示装置的结构示意图；图6b示出了根据本发明的第二实施例的拼接式头盔显示装置的视场示意图。如图6a所示，根据本发明的第二实施例的头盔显示装置包括通过第二机械拼接方式拼接的第一显示通道601和第二显示通道602。第一显示通道601在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第二显示通道602绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度。如图6b所示，根据本发明的第二实施例的拼接式头盔显示装置的水平方向视场角至少为70度，垂直方向视场角至少为30度。

第三实施例

图7a示出了根据本发明的第三实施例的拼接式头盔显示装置的结构示意图；图7b示出了根据本发明的第三实施例的拼接式头盔显示装置的视场示意图。如图7a所示，根据本发明的第三实施例的头盔显示装置包括绕全局坐标系Y轴旋转一预定角度的第一显示通道701、第二显示通道702和第三显示通道703。第二显示通道702通过第二机械拼接方式分别与第一显示通道701和第三显示通道703拼接。如图7b所示，根据本发明的第三实施例的拼接式头盔显示装置的水平方向视场角至少为100度，垂直方向视场角至少为30度。

第四实施例

图8a示出了根据本发明的第四实施例的拼接式头盔显示装置的结构示意图；图8b示出了根据本发明的第四实施例的拼接式头盔显示装置的视场示意图。如图8a所示，根据本发明的第四实施例的头盔显示装置包括绕全局坐标系Y轴旋转一预定角度的第一显示通道801、第二显示通道802、第三显示通道803和第四显示通道804。第二显示通道802通过第二机械拼接方式分别与第一显示通道801和第三显示通道803拼接，第三显示通道803通过第二机械拼接方式分别与第二显示通道802和第四显示通道804拼接。如图8b所示，根据本发明的第四实施例的拼接式头盔显示装置的水平方向视场角至少为120度，垂直方向视场角至少为30度。

第五实施例

图9a示出了根据本发明的第五实施例的拼接式头盔显示装置的结构示意图；图9b示出了根据本发明的第五实施例的拼接式头盔显示装置的视场示意图。如图9a所示，根据本发明的第五实施例的头盔显示装置包括第一显示通道901、第二显示通道902、第三显示通道903和第四显示通道904。第一显示通道901和第四显示通道903在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第二显示通道902和第四显示通道904绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度。第一显示通道901和第二显示通道902通过第二机械拼接方式拼接，第三显示通道903和第四显示通道904通过第二机械拼接方式拼接，第一显示通道901和第三显示通道903通过第一机械拼接方式拼接，第二显示通道902和第四显示通道904通过第一机械拼接方式拼接。如图9b所示，根据本发明的第五实施例的拼接式头盔显示装置的水平方向视场角至少为70度，垂直方向视场角至少为50度。

第六实施例

图10a示出了根据本发明的第六实施例的拼接式头盔显示装置的结构示意图；图10b示出了根据本发明的第六实施例的拼接式头盔显示装置的视场示意图。根据本发明的第六实施例的头盔显示装置包括第一显示通道1001、第二显示通道1002、第三显示通道1003、第四显示通道1004、第五显示通道1005和第六显示通道1006。第一显示通道1001、第二显示通道1002和第三显示通道1003绕全局坐标系Y轴旋转一预定角度，第四显示通道1004、第五显示通道1005和第六显示通道1006绕全局坐标系Y轴旋转该预定角度。第二显示通道1002通过第二机械拼接方式分别和第一显示通道1001和第三显示通道1003拼接，第五显示通道1005通过第二机械拼接方式分别和第四显示通道1004和第六显示通道1006拼接，第一显示通道1001和第四显示通道1004通过第一机械拼接方式拼接，第二显示通道1002和第五显示通道1005通过第一机械拼接方式拼接，第三显示通道1003和第六显示通道1006通过第一机械拼接方式拼接。如图10b所示，根据本发明的第六实施例的拼接式头盔显示装置的水平方向视场角至少为100度，垂直方向视场角至少为50度。

第七实施例

图11a示出了根据本发明的第七实施例的拼接式头盔显示装置的结构示意图；图11b示出了根据本发明的第七实施例的拼接式头盔显示装置的视场示意图。根据本发明的第七实施例的头盔显示装置包括第一显示通道1101、第二显示通道1102、第三显示通道1103和第四显示通道1104、第五显示通道1105、第六显示通道1106、第七显示通道1107和第八显示通道1108。第一显示通道1101、第二显示通道1102、第三显示通道1103和第四显示通道1104绕全局坐标系Y轴旋转一预定角度。第五显示通道1105、第六显示通道1106和第七显示通道1107和第八显示通道1108绕全局坐标系Y轴旋转一预定角度。第二显示通道1102通过第二机械拼接方式分别和第一显示通道1101和第三显示通道1103拼接，第三显示通道1103通过第二机械拼接方式分别和第二显示通道1102和第四显示通道1104拼接；第六显示通道1106通过第二机械拼接方式分别和第五显示通道1105和第七显示通道1107拼接，第七显示通道1107通过第二机械拼接方式分别和第六显示通道1106和第八显示通道1108拼接；第一显示通道1101和第五显示通道1105通过第一机械拼接方式拼接，第二显示通道1102和第六显示通道1106通过第一机械拼接方式拼接，第三显示通道1103和第七显示通道1107通过第一机械拼接方式拼接，第四显示通道1104和第八显示通道1108通过第一机械拼接方式拼接。如图11b所示，根据本发明的第七实施例的拼接式头盔显示装置的水平方向视场角至少为120度，垂直方向视场角至少为50度。

第八实施例

根据本发明的第八实施例的头盔显示装置包括通过第一光学拼接方式拼接的第一显示通道和第二显示通道，其结构示意图类似于图5a。第一显示通道在YOZ面绕全局坐标系旋转第一角度，而第二显示通道则绕Z轴旋转±180°后再绕全局坐标系X轴反方向旋转第一角度。根据本发明的第八实施例的拼接式头盔显示装置的水平方向视场角至少为50度，垂直方向视场角至少为40度。

第九实施例

根据本发明的第九实施例的头盔显示装置包括通过第二光学拼接方式拼接的第一显示通道和第二显示通道，其结构示意图类似于图6a。第一显示通道在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第二显示通道绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度。根据本发明的第九实施例的拼接式头盔显示装置的水平方向视场角至少为70度，垂直方向视场角至少为30度。

第十实施例

根据本发明的第十实施例的头盔显示装置包括第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道，其结构示意图类似于图9a。第一显示通道在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第二显示通道绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度；第三显示通道在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第四显示通道绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度；第一显示通道和第二显示通道通过第二光学拼接方式拼接，第三显示通道和第四显示通道通过第二光学拼接方式拼接，第一显示通道和第三显示通道通过第一光学拼接方式拼接，第二显示通道和第四显示通道通过第一光学拼接方式拼接。根据本发明的第十实施例的拼接式头盔显示装置的水平方向视场角至少为70度，垂直方向视场角至少为50度。

应用于增强现实的拼接式头盔显示装置

在前述的第一至第十实施例中，如果每个显示通道的棱镜的第二光学面3被镀反射膜层而形成反射面，则所述拼接式头盔显示装置将主要用于虚拟现实的应用。但如果每个显示通道的棱镜的第二光学面3镀半反半透膜形成为半透射半反射面，且通过在显示装置中增加自由形式表面辅助透镜，则可以形成用于增强现实的拼接式头盔显示装置，使得该透镜和棱镜构成了无焦系统，且人眼能够看穿显示装置来观察外界场景。图12为示出了根据本发明的应用于增强现实的拼接式头盔显示装置的一个显示通道的二维结构示意图。因此上述的实施例可以通过添加自由形式表面辅助透镜而应用于增强现实。

图13a和13b分别为示出了根据本发明的应用于增强现实的拼接式头盔显示装置的二维结构示意图和三维结构示意图。如图13a所示，该拼接式头盔显示装置可包括多个显示通道，每个显示通道包括自由形式表面棱镜1302、微显示装置1303以及自由形式表面透镜1304。显示通道可以通过第一机械拼接方式来拼接，因此在拼接时去除了部分的棱镜1302和部分的透镜1304。

图14示出了根据本发明的应用于增强现实的拼接式头盔显示装置被用户佩戴使用的示意图。如图14所示，根据本发明的应用于增强现实的拼接式头盔显示装置可以用作仅对于单目的单目镜系统。替换地，其也可用作对于双目的双目镜系统。

根据本发明的拼接式头盔显示装置结构紧凑、重量轻，且其各显示通道的出瞳面重合匹配，避免了光瞳像差，保证了出瞳大小和出瞳距离不变。而且视场内的各处分辨率不会出现差别，因此避免了引起畸变。根据本发明的拼接式头盔显示装置还易于应用于增强现实。而与之相比，对于传统增强现实的头盔显示装置，为了实现光学透射，需要引入半反半透镜来折叠光路，使结构更为复杂，体积重量都显著增加。

另外，由于根据本发明的自由形式表面棱镜的光学面可以一起连续形成为大的光学面，所以每个大表面可以被一次加工，而无需额外加工拼接面。而且，还可以根据需要将各显示通道相对应的光学表面整体加工成一个表面。因此根据本发明可以降低拼接工艺的难度和复杂度。

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 (30)

1.一种拼接式头盔显示装置，包括：

光学部件，包括多个自由形式表面棱镜，每个棱镜为包含第一光学面、第二光学面和第三光学面的楔形棱镜；

显示部件，包括多个微型显示器，其中微型显示器的数量等于自由形式表面棱镜的数量，

其中，每个自由形式表面棱镜和其对应的微型显示器构成一个显示通道，系统坐标系定义为：全局坐标原点O位于出瞳中心，Z轴为人眼视线方向，Y轴垂直于Z轴且方向沿着人眼正上方；X轴垂直Y轴与Z轴，构成笛卡尔坐标系；

其中，多个显示通道拼接，使得拼接式装置的总视场基本是每个显示通道的单独视场的叠加，并且拼接式装置的每个显示通道的出瞳中心均位于用户人眼的瞳孔中心。

2.如权利要求1所述的拼接式头盔显示装置，其中，所述自由形式表面棱镜(101)包括相对于X轴按逆时针布置的第一光学面(2)、第二光学面(3)和第三光学面(4)，第一光学面(2)和第二光学面(3)均为自由形式表面，第三光学面(4)选自自由形式表面、球面或非球面；第一光学面(2)为透射面，第二光学面(3)选自凹面形状的反射面或半透射半反射面，第三光学面(4)为透射面。

3.如权利要求1或2所述的拼接式头盔显示装置，其中所述多个显示通道采用光学拼接方式进行拼接，其中每个棱镜(102)的第一光学面(2)、第二光学面(3)和第三光学面(4)满足以下条件(1)-(3)：

18≤Z_Pd≤28            (1)

1.5≤Z_Pd′-Z_Pd≤3      (2)

Zpc≥出瞳距离即15    (3)

其中，Pc为Ru与第一光学面(2)发生全反射时的交点，Pd为水平视场主光线Rc与第一光学面(2)的交点，Pd为Rc与第二光学面(3)的交点，

其中，所述光学拼接方式包括第一光学拼接方式和第二光学拼接方式，

其中，在所述第一光学拼接方式中，要被拼接的两个棱镜的底面(11)直接粘接在一起，每个棱镜的底面位于第一光学面(2)和第二光学面(3)之间，

其中，在所述第二光学拼接方式中，相应棱镜的侧面(22，23)直接粘接，所述棱镜的侧面与该棱镜的第一光学面(2)、第二光学面(3)和第三光学面(4)相交。

4.如权利要求2或3所述的拼接式头盔显示装置，其中所述棱镜(101；102)所用光学材料的折射率和阿倍数为：1.4＜Nd1＜1.8和Vd1＞20。

5.如权利要求2或3所述的拼接式头盔显示装置，其中所述自由形式表面棱镜(101；102)的一阶焦距f为：14＜f＜27mm。

6.如权利要求2所述的拼接式头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括第一机械拼接方式拼接的第一显示通道和第二显示通道，第一显示通道在YOZ面绕全局坐标系X轴旋转第一角度，而第二显示通道则绕人眼视线方向Z轴旋转±180°后再绕全局坐标系X轴反方向旋转第一角度。

7.如权利要求6所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为50度，垂直方向视场角至少为40度。

8.如权利要求2所述的拼接头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括通过第二机械拼接方式拼接的第一显示通道和第二显示通道，第一显示通道在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第二显示通道绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度。

9.如权利要求8所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为70度，垂直方向视场角至少为30度。

10.如权利要求2所述的拼接头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括绕全局坐标系Y轴旋转一预定角度的第一显示通道、第二显示通道和第三显示通道，第二显示通道通过第二机械拼接方式分别与第一显示通道和第三显示通道拼接。

11.如权利要求10所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为100度，垂直方向视场角至少为30度。

12.如权利要求2所述的拼接头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括绕全局坐标系Y轴旋转一预定角度的第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道，第二显示通道通过第二机械拼接方式分别与第一显示通道和第三显示通道拼接，第三显示通道通过第二机械拼接方式分别与第二显示通道和第四显示通道拼接。

13.如权利要求12所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为120度，垂直方向视场角至少为30度。

14.如权利要求2所述的拼接头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道，第一显示通道和第三显示通道在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第二显示通道和第四显示通道绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度；第一显示通道和第二显示通道通过第二机械拼接方式拼接，第三显示通道和第四显示通道通过第二机械拼接方式拼接，第一显示通道和第三显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第二显示通道和第四显示通道通过第一机械拼接方式拼接。

15.如权利要求14所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为70度，垂直方向视场角至少为50度。

16.如权利要求2所述的拼接头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道、第五显示通道和第六显示通道，第一显示通道、第二显示通道和第三显示通道绕全局坐标系Y轴旋转一预定角度，第四显示通道、第五显示通道和第六显示通道绕全局坐标系Y轴旋转该预定角度；第二显示通道通过第二机械拼接方式分别和第一显示通道和第三显示通道拼接，第五显示通道通过第二机械拼接方式分别和第四显示通道和第六显示通道拼接，第一显示通道和第四显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第二显示通道和第五显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第三显示通道和第六显示通道通过第一机械拼接方式拼接。

17.如权利要求16所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为100度，垂直方向视场角至少为50度。

18.如权利要求2所述的拼接头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道、第五显示通道、第六显示通道、第七显示通道和第八显示通道，第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道绕全局坐标系Y轴旋转一预定角度，第五显示通道、第六显示通道和第七显示通道和第八显示通道绕全局坐标系Y轴旋转该预定角度；第二显示通道通过第二机械拼接方式分别和第一显示通道和第三显示通道拼接，第三显示通道通过第二机械拼接方式分别和第二显示通道和第四显示通道拼接；第六显示通道通过第二机械拼接方式分别和第五显示通道和第七显示通道拼接，第七显示通道通过第二机械拼接方式分别和第六显示通道和第八显示通道拼接；第一显示通道和第五显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第二显示通道和第六显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第三显示通道和第七显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第四显示通道和第八显示通道通过第一机械拼接方式拼接。

19.如权利要求18所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为120度，垂直方向视场角至少为50度。

20.如权利要求3所述的拼接式头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括通过第一光学拼接方式拼接的第一显示通道和第二显示通道，第一显示通道在YOZ面绕全局坐标系旋转第一角度，而第二显示通道则绕人眼视线方向Z轴旋转±180°后再绕全局坐标系X轴反方向旋转第一角度。

21.如权利要求20所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为50度，垂直方向视场角至少为40度。

22.如权利要求3所述的拼接头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括通过第二光学拼接方式拼接的第一显示通道和第二显示通道，第一显示通道在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第二显示通道绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度。

23.如权利要求22所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为70度，垂直方向视场角至少为30度。

24.如权利要求3所述的拼接头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道，第一显示通道在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第二显示通道绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度；第三显示通道在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第四显示通道绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度；第一显示通道和第二显示通道通过第二光学拼接方式拼接，第三显示通道和第四显示通道通过第二光学拼接方式拼接，第一显示通道和第三显示通道通过第一光学拼接方式拼接，第二显示通道和第四显示通道通过第一光学拼接方式拼接。

25.如权利要求24所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为70度，垂直方向视场角至少为50度。

26.如前述权利要求2-23所述的拼接头盔显示装置，还包括多个自由形式表面辅助透镜，每个透镜与相应的自由形式表面棱镜配合，使得人眼能够观察外界场景，其中所述自由形式表面棱镜的第二光学面(3)为半透射半反射面。

27.如权利要求26所述的拼接头盔显示装置，其中所述增加的棱镜透镜所使用的材料的折射率为1.4＜Nd1＜1.8且阿倍数为Vd1＞20。

28.根据前述权利要求所述的拼接头盔显示装置，其中所述出瞳直径至少为6mm。

29.根据权利要求20、22或24所述的拼接头盔显示装置，其中所述出瞳距离至少为15mm。

30.根据前述权利要求所述的拼接头盔显示装置，其中所述拼接方法包括粘接、胶合、焊接、一体注塑成型。

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