CN103995355A - 一种用于头盔显示器的可调节视度的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于头盔显示器的可调节视度的光学系统，包括眼镜状镜片以及中继镜组，眼镜状镜片置于人眼之前，中继镜组置于微显示器与眼镜状镜片的内表面之间；中继镜组将头盔显示器的微显示器发出的图像光线传输至眼镜状镜片的内表面上，眼镜状镜片再将光线反射至人眼；中继镜组将微显示器的图像成实像于眼镜状镜片与中继镜组之间，眼镜状镜片将实像成放大的虚像于人眼前；通过中继镜组自身的变焦使得生成的虚像与人眼的距离根据用户的视力水平而变化，从而使得正常人、近视人眼和远视人眼都能看清微显示器的图像；中继镜组采用6片镜片实现成像和变焦，降低中继镜组的复杂程度，简化结构。

Description

一种用于头盔显示器的可调节视度的光学系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种用于头盔显示器的可调节视度的光学系统。

背景技术

头盔显示器(Head Mounted Display)是近年来显示领域的热门产品，用于虚拟现实和增强现实的头盔显示装置获得了较快的发展。现有的头盔显示器无论是头戴式或者眼镜式，通常都是针对正常人眼进行设计和制造，微显示器显示的图像到人眼的距离固定不变，即不具有视度调节的功能。如图1所示的专利CN101726856B公开了一种机载护目镜型头盔显示器光学系统，包括图像源、中继透镜组件、棱镜组件和凹面反射镜，中继透镜组件将图像源产生的图像光线传输至棱镜组件，棱镜组件偏转图像光线的传播方向，凹面反射镜接收图像光线，并将其反射至人眼。然而，当近视或远视用户在使用该头盔显示器时，如果不佩戴隐形眼镜会导致图像会变得模糊不清，佩戴隐形眼镜又会给用户带来不便，因此限制了头盔显示器的使用范围和场合。如图2所示，专利CN202018539U公开了一种具有视度调节机构的虚拟屏幕显示装置，包括微显示屏幕和透镜放大装置，其中，透镜放大装置包括一个可滑动调节视度的透镜安装结构架和光学透镜组，其中，光学透镜组用于放大微显示屏幕的图像，透镜安装结构架可带动光学透镜组左右移动，从而使得经过透镜组合微显示屏间的距离发生远近的变化，达到调节视度的作用。但是，由于透镜放大装置和微显示屏幕均放置在人眼前方，人眼只能观察微显示屏幕的放大图像，不能看到外界景物，因此，该透镜放大装置不能直接应用于光学透射式头盔显示器中。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于头盔显示器的可调节视度的光学系统，能够根据用户的视力水平调节微显示器的虚像与人眼的距离，从而使得视力非正常用户也能看清楚微显示器图像。

本发明的一种用于头盔显示器的可调节视度的光学系统，包括眼镜状镜片以及中继镜组；

所述眼镜状镜片置于人眼之前，所述中继镜组置于微显示器与眼镜状镜片的内表面之间，其中，眼镜状镜片的内表面朝向人眼一侧，外表面朝向另一侧；所述眼镜状镜片的内表面镀有半反半透膜；

所述中继镜组将头盔显示器的微显示器发出的图像光线传输至眼镜状镜片的内表面上，所述眼镜状镜片再将光线反射至人眼；所述中继镜组将微显示器的图像成实像于眼镜状镜片与中继镜组之间，眼镜状镜片将所述实像成放大的虚像于人眼前；

其中，所述中继镜组包括从眼镜状镜片的内表面一侧至微显示器顺次排列的球面正透镜、平面反射镜、负弯月透镜、第一正双胶合透镜、第二正双胶合透镜以及正弯月透镜；从微显示器发出的光线依次经弯月透镜、第二正双胶合透镜、第一正双胶合透镜和负弯月透镜透射至所述平面反射镜，平面反射镜将透射光线反射至球面正透镜，经球面正透镜会聚至眼镜状镜片的内表面；所述第一正胶合透镜由负透镜和正透镜胶合而成，所述第二正双胶合透镜由正透镜和负透镜胶合而成，第一正双胶合透镜和第二正双胶合透镜的组合用来校正垂轴像差与系统色差；所述正弯月透镜用来校正包括畸变与场曲等视场像差；

所述第二双胶合透镜在第一正双胶合透镜与正弯月透镜之间移动，由此改变中继镜组的焦距，使得中继镜组对微显示器的图像所生成的实像与眼镜状镜片之间的距离随之改变，由此改变所述放大的虚像与人眼之间的距离。

所述眼镜状镜片有N个，N个眼镜状镜片的内表面的曲率半径均相同，其外表面的曲率半径均不同，对应不同的视度，根据用户的近视程度选择与其匹配的眼镜状镜片。

所述第一正双胶合透镜和第二正双胶合透镜共光轴。

所述第一正双胶合透镜和第二正双胶合透镜放置于同一个旋转对称的镜筒内。

所述眼镜状镜片的光轴与主光轴的夹角小于20°

定义所述眼镜状镜片的曲率半径为re，光学系统的名义焦距为fw，则3.65<|re/fw|<5.08；所述名义焦距指物面在无穷远情况下的焦距，通过fw＝像高/tan(θ)计算得到，其中θ表示视场角。

本发明具有如下有益效果：

本发明采用的中继镜组，可以通过自身的变焦使得生成的虚像与人眼的距离根据用户的视力水平而变化，从而使得正常人、近视人眼和远视人眼都能看清微显示器的图像；中继镜组采用6片镜片实现成像和变焦，降低中继镜组的复杂程度，简化结构；同时，只需要前后移动中继镜组中的一个双胶合透镜即可实现变焦，使得焦距调节更简单方便；

本发明的光学系统采用眼镜状镜片反射中继镜组所成的实像，并放大，还可以透射头盔显示器的外部景物，同时，设计多个具有不同视度的眼镜状镜片，允许用户根据其眼睛的近视程度选择与其匹配的眼镜状镜片，即眼镜状镜片具有近视或远视校正能力，通过更换不同视度的眼镜状镜片使得用户能够清晰地看清外界景物；由此提高用户佩戴头盔显示器的方便性；

本发明将第二双胶合透镜和第一双胶合透镜设计成共光轴透镜，可方便的调节第二双胶合透镜的轴向移动，容易实现本发明的中继镜组的变焦，同时有利于本发明的工程实现；

通过对各镜片的参数的设计，使得本发明中光学系统的视度调节的最大范围可达到6个视度，即可供远视100°人眼到近视500°的人眼用户使用，适用范围广泛；同时，在视度的调节过程中，成像质量均能满足人眼的使用要求。

附图说明

图1为现有的机载护目镜型头盔显示器的结构示意图；

图2为现有技术中具有屈光度调节机构的虚拟屏幕显示装置的示意图；

图3本发明的第一实施例的光学系统的结构示意图；

图4为根据本发明第一实施例的中心与0.7视场MTF与视度调节量的关系图；

图5为本发明的第二实施例的光学系统的结构示意图；

图6为根据本发明第二实施例的视度可调节头盔显示光学系统中心与0.7视场MTF与视度调节量的关系图；

图7为本发明的第三实施例的光学系统的结构示意图；

图8为根据本发明第三实施例的视度可调节头盔显示光学系统中心与0.7视场MTF与视度调节量的关系图；

其中，1-头盔，2-护目镜，3-中继透镜组件，4-凹面反射镜，5-微显示器，21-人眼，X01-光阑，X02-眼镜状镜片，X03-球面正透镜，X04-平面反射镜，X05-负弯月透镜，X06-第一正双胶合透镜，X07-第二正双胶合透镜，X08-正弯月透镜、X09-微显示器，X在实施例1中为1，在实施例2中为2，在实施例3中为3。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种用于头盔显示器的可调节视度的光学系统，包括眼镜状镜片以及中继镜组，眼镜状镜片置于人眼之前，中继镜组置于微显示器与眼镜状镜片的内表面之间，其中，眼镜状镜片的内表面朝向人眼一侧，与内表面相对的一个表面为外表面；

中继镜组将头盔显示器的微显示器发出的图像光线传输至眼镜状镜片的内表面上，眼镜状镜片再将光线反射至人眼，则人眼可观察到微显示器显示图像的放大虚像。

为了让头盔显示器佩戴人员看清头盔显示器之外的景物，眼镜状镜片的内表面镀有半透半反膜，能将外界景物透射进入人眼。

其中，中继镜组包括从眼镜状镜片的内表面一侧至微显示器顺次排列的球面正透镜、平面反射镜、负弯月透镜、第一正双胶合透镜、第二正双胶合透镜以及正弯月透镜；从微显示器发出的光线依次经正弯月透镜、第二正双胶合透镜、第一正双胶合透镜和负弯月透镜透射至平面反射镜，平面反射镜将透射光线向人眼的方位进行反射，球面正透镜接收反射光线并将其会聚至眼镜状镜片的内表面。

第二双胶合透镜在第一正双胶合透镜与正弯月透镜之间移动，由此改变中继镜组的焦距，使得中继镜组对微显示器的图像所生成的虚像与人眼之间的距离随之改变。由此，近视眼或远视眼用户可根据自己眼睛的视度左右移动第二双胶合透镜，直到看清楚图像为止。

为了方便调节中继镜组的焦距，本发明将第一正双胶合透镜与第二正双胶合透镜设计成共光轴，则第一正双胶合透镜与第二正双胶合透镜可以放置于同一个旋转对称的镜筒内，通过前后移动第二正双胶合透镜实现中继镜组的变焦。

中继镜组的视度调节功能解决了近视人眼或远视人眼观察微显示器图像模糊不清的问题，但当该用户观察头盔显示器之外的景物时，仍模糊不清，因此，本发明设计了多个眼镜状镜片，多个眼镜状镜片的内表面的曲率半径均相同，在头盔显示器中的位置也相同，但外表面的曲率半径均不同，对应不同的视度，用户可以根据其近视程度选择与其匹配的眼镜状镜片。由于内表面的曲率半径和位置相同，眼睛状镜片的内表面与其它镜片的相对位置不发生变化，因此在更换眼镜状镜片时不会对微显示器成像光路产生影响。

实施例1

如图3所示，从人眼观察侧到微显示器件侧，依次为光阑101、眼镜状镜片102、双凸透镜103、平面反射镜104、负弯月透镜105、正双胶合透镜106、正双胶合透镜107、正弯月透镜108、微显示器件109。以光阑表面为序号1，以此类推，微显示器的表面序号为16，本实施例中光学系统的各元件的设计数据如表1所示。

表1

实施例中的光学系统的系统参数如下：出瞳直径＝9mm，水平视场＝34°，竖直视场＝23.3°，出瞳距离＝47.23mm，视度调节范围-5.5到0。

表1中表面序号上角标带有“*”的表面采用全局坐标系OXYZ确定该表面的位置，Z轴水平向右，Y轴垂直Z轴向上，X轴根据Z轴和Y轴通过右手定则确定，原点O位于光阑的圆心处；表面序号上角标未带有“*”的表面与其前一个表面共光轴。

L1表示第一双胶合透镜的10号表面与第二双胶合透镜的11号表面之间的距离，其变化范围为1.4mm至6.4mm。D表示人眼看到虚拟像面在眼前的距离，通过轴向移动正双胶合透镜107，可以使得D从∞到180mm之间连续变化，可用于正常人眼到550°近视人眼用户。

各光学表面相对于Y轴和Z轴的偏心量以及相对于X轴的倾斜量如表2所示：

表2

已知人眼到眼镜状镜片的距离为L，眼镜状镜片的光轴与主光轴的倾斜角为α，人眼需要调节的视度SD(对于近视人眼而言SD<0)，就可以根据如下公式

Fg＝1000/SD+L·cos(α)

计算眼镜状镜片的焦距Fg。由眼镜状镜片的焦距Fg可以设计眼镜状镜片的后表面的曲率半径和中心厚度。表3列出了本发明的上述眼镜形状镜片不同视度条件下对应的外表面曲率半径和厚度参数。

表3

上述眼镜形状的镜片，其光轴与人眼视轴的夹角过大会引起真实场景的变形，在本发明的视度可调节头盔显示光学系统中，上述夹角α<20°。

如图4所示，在出瞳直径为4mm的评价条件下，-5.5至0视度的调节过程中，中心视场和0.7视场的MTF在15lp/mm空间频率下保持大于0.4，在视度调节的过程中成像质量均能满足人眼的使用要求。

实施例2：

图5示出了本发明实施例2的用于头盔显示的视度可调节光学系统，从人眼观察侧到微显示器侧，依次为光阑201、眼镜状反射镜202、正弯月透镜203、平面反射镜204、负弯月透镜205、正双胶合透镜206、正双胶合透镜207、正弯月透镜208和微显示器209，其中眼镜状透镜202与正弯月透镜203之间存在实像，双胶合透镜206为负-正形式的双胶合透镜、双胶合透镜207为正-负形式的双胶合透镜，双胶合透镜206与双胶合透镜207两者组合起到减小垂轴像差与系统色差的作用，正弯月透镜208校正视场有关像差，包括畸变与场曲，良好地控制了系统的像方远心特性。以光阑表面序号为1，依次类推，微显示器序号为16，实施例2的用于头盔显示的视度可调节光学系统设计数据如下表4。

表4

表4中表面序号上角标带有“*”的表面采用全局坐标系OXYZ确定该表面的位置，Z轴水平向右，Y轴垂直Z轴向上，X轴根据Z轴和Y轴通过右手定则确定，原点O位于光阑的圆心处；表面序号上角标未带有“*”的表面与其前一个表面共光轴。

各光学表面相对于Y轴和Z轴的偏心量以及相对于X轴的倾斜量如表5所示：

表5

已知人眼到眼镜状镜片的距离为L，眼镜状镜片的光轴与主光轴的倾斜角为α，人眼需要调节的视度SD(对于近视人眼而言SD<0)，就可以根据如下公式

Fg＝1000/SD+L·cos(α)

计算眼镜状镜片的焦距Fg。由眼镜状镜片的焦距Fg可以设计眼镜状镜片的后表面的曲率半径和中心厚度。

本实施例中，系统参数如下：出瞳直径＝8mm，水平视场＝34°，竖直视场＝23.3°，出瞳距离＝53.12mm，视度调节范围-2.5到0.3，名义焦距22.89mm，L1表示第一双胶合透镜的10号表面与第二双胶合透镜的11号表面之间的距离，视度从+0.3到-2.5调节过程中L1变化范围0.6mm到4.47mm。

参见附图6，在出瞳直径为4mm的评价条件下，调节-2.5到0.3视度的过程中，中心视场和0.7视场的MTF在20lp/mm空间频率下保持大于0.65，在视度调节的过程中不会出现成像质量的显著下降。

实施例3：

图7示出了本发明实施例3的用于头盔显示的视度可调节光学系统，从人眼观察侧到微显示器侧，依次为光阑301、眼镜状反射镜302、正双凸透镜303、平面反射镜304、负弯月透镜305、正双胶合透镜306、正双胶合透镜307、正弯月透镜308和微显示器309，其中眼镜状透镜302与正双凸透镜303之间存在实像，双胶合透镜306为负-正形式的双胶合透镜、正双胶合透镜307为正-负形式的双胶合透镜，正双胶合透镜306与正双胶合透镜307两者组合起到减小垂轴像差与系统色差的作用，正弯月透镜308校正视场有关像差，包括畸变与场曲，良好地控制了系统的像方远心特性。以光阑表面序号为1，依次类推，微显示器序号为16，实施例3的用于头盔显示的视度可调节光学系统设计数据如下表6。

表6

表6中表面序号上角标带有“*”的表面采用全局坐标系OXYZ确定该表面的位置，Z轴水平向右，Y轴垂直Z轴向上，X轴根据Z轴和Y轴通过右手定则确定，原点O位于光阑的圆心处；表面序号上角标未带有“*”的表面与其前一个表面共光轴。

各光学表面相对于Y轴和Z轴的偏心量以及相对于X轴的倾斜量如表7所示：

表7

已知人眼到眼镜状镜片的距离为L，眼镜状镜片的光轴与主光轴的倾斜角为α，人眼需要调节的视度SD(对于近视人眼而言SD<0)，就可以根据如下公式

Fg＝1000/SD+L·cos(α)

计算眼镜状镜片的焦距Fg。由眼镜状镜片的焦距Fg可以设计眼镜状镜片的后表面的曲率半径和中心厚度。

本实施例中，光学系统的参数如下：出瞳直径＝8mm，水平视场＝34°，竖直视场＝23.3°，出瞳距离＝75.95mm，视度调节范围-5到1，名义焦距22.89mm。视度从-5到1调节过程中L1变化范围0.6mm到6.86mm。参见附图8，在出瞳直径为4mm的评价条件下，调节-5到1视度的过程中，中心视场和0.7视场的MTF在20lp/mm空间频率下保持大于0.7，在视度调节的过程中不会出现成像质量的显著下降。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于头盔显示器的可调节视度的光学系统，其特征在于，包括眼镜状镜片以及中继镜组；

所述眼镜状镜片置于人眼之前，所述中继镜组置于微显示器与眼镜状镜片的内表面之间，其中，眼镜状镜片的内表面朝向人眼一侧，外表面朝向另一侧；所述眼镜状镜片的内表面镀有半反半透膜；

所述中继镜组将头盔显示器的微显示器发出的图像光线传输至眼镜状镜片的内表面上，所述眼镜状镜片再将光线反射至人眼；所述中继镜组将微显示器的图像成实像于眼镜状镜片与中继镜组之间，眼镜状镜片将所述实像成放大的虚像于人眼前；

其中，所述中继镜组包括从眼镜状镜片的内表面一侧至微显示器顺次排列的球面正透镜、平面反射镜、负弯月透镜、第一正双胶合透镜、第二正双胶合透镜以及正弯月透镜；从微显示器发出的光线依次经弯月透镜、第二正双胶合透镜、第一正双胶合透镜和负弯月透镜透射至所述平面反射镜，平面反射镜将透射光线反射至球面正透镜，经球面正透镜会聚至眼镜状镜片的内表面；所述第一正胶合透镜由负透镜和正透镜胶合而成，所述第二正双胶合透镜由正透镜和负透镜胶合而成，第一正双胶合透镜和第二正双胶合透镜的组合用来校正垂轴像差与系统色差；所述正弯月透镜用来校正包括畸变与场曲等视场像差；

所述第二双胶合透镜在第一正双胶合透镜与正弯月透镜之间移动，由此改变中继镜组的焦距，使得中继镜组对微显示器的图像所生成的实像与眼镜状镜片之间的距离随之改变，由此改变所述放大的虚像与人眼之间的距离。

2.如权利要求1所述的一种用于头盔显示器的可调节视度的光学系统，其特征在于，所述眼镜状镜片有N个，N个眼镜状镜片的内表面的曲率半径均相同，其外表面的曲率半径均不同，对应不同的视度，根据用户的近视程度选择与其匹配的眼镜状镜片。

3.如权利要求1或2所述的一种用于头盔显示器的可调节视度的光学系统，其特征在于，所述第一正双胶合透镜和第二正双胶合透镜共光轴。

4.如权利要求3所述的一种用于头盔显示器的可调节视度的光学系统，其特征在于，所述第一正双胶合透镜和第二正双胶合透镜放置于同一个旋转对称的镜筒内。

5.如权利要求3所述的一种用于头盔显示器的可调节视度的光学系统，其特征在于，所述光学系统中各光学镜片的参数如下：

其中，表面序号2-15依次表示眼镜状镜片、球面正透镜、平面反射镜、负弯月透镜、正双胶合透镜、正双胶合透镜和正弯月透镜的光学表面；表面序号上角标带有“*”的表面采用全局坐标系OXYZ确定该表面的位置，其中，Z轴水平向右，Y轴垂直Z轴向上，X轴根据Z轴和Y轴通过右手定则确定；表面序号上角标未带有“*”的表面与其前一个表面共光轴；

L1表示第一双胶合透镜的10号表面与第二双胶合透镜的11号表面之间的距离，其变化范围为1.4mm至6.4mm；

所述各光学表面相对于Y轴和Z轴的偏心量以及相对于X轴的倾斜量分别为：

其中表面16表示微显示器表面。

6.如权利要求3所述的一种用于头盔显示器的可调节视度的光学系统，其特征在于，所述光学系统中各光学镜片的参数如下：

其中，表面序号2-15依次表示眼镜状镜片、球面正透镜、平面反射镜、负弯月透镜、正双胶合透镜、正双胶合透镜和正弯月透镜的光学表面；表面序号上角标带有“*”的表面采用全局坐标系OXYZ确定该表面的位置，其中，Z轴水平向右，Y轴垂直Z轴向上，X轴根据Z轴和Y轴通过右手定则确定；表面序号上角标未带有“*”的表面与其前一个表面共光轴；

L1表示第一双胶合透镜的10号表面与第二双胶合透镜的11号表面之间的距离，其变化范围为0.6mm至4.47mm；

所述各光学表面相对于Y轴和Z轴的偏心量以及相对于X轴的倾斜量分别为：

其中表面16表示微显示器表面。

7.如权利要求3所述的一种用于头盔显示器的可调节视度的光学系统，其特征在于，所述光学系统中各光学镜片的参数如下：

其中，表面序号2-15依次表示眼镜状镜片、球面正透镜、平面反射镜、负弯月透镜、正双胶合透镜、正双胶合透镜和正弯月透镜的光学表面；表面序号上角标带有“*”的表面采用全局坐标系OXYZ确定该表面的位置，其中，Z轴水平向右，Y轴垂直Z轴向上，X轴根据Z轴和Y轴通过右手定则确定；表面序号上角标未带有“*”的表面与其前一个表面共光轴；

L1表示第一双胶合透镜的10号表面与第二双胶合透镜的11号表面之间的距离，其变化范围为0.6mm至6.86mm；

所述各光学表面相对于Y轴和Z轴的偏心量以及相对于X轴的倾斜量分别为：

其中表面16表示微显示器表面。

8.如权利要求5、6或7所述的一种用于头盔显示器的可调节视度的光学系统，其特征在于，所述眼镜状镜片的光轴与主光轴的夹角小于20°

9.如权利要求5、6或7所述的一种用于头盔显示器的可调节视度的光学系统，其特征在于，定义所述眼镜状镜片的曲率半径为re，光学系统的名义焦距为fw，则3.65<|re/fw|<5.08；所述名义焦距指物面在无穷远情况下的焦距，通过fw＝像高/tan(θ)计算得到，其中θ表示视场角。