CN104834094A - 头戴式显示器用光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明尤其涉及在瞳孔位置形成虚像而使小型显示器的影像放大，从而能够给使用者带来现场感和沉浸感的头戴式显示器用光学系统，本发明所提供的头戴式显示器用光学系统具体实现了非球面棱镜(Prism)形态，所述非球面棱镜使得在如液晶显示器(LCD)或硅基液晶(LCoS)显示器那样的小型显示装置所发散的光在具有偏心的第一曲面折射，并在倾斜的平面和第二曲面反射，且在上述倾斜的平面折射而形成虚像，由于本发明仅使用1片反射镜，因而能够降低制作费用和反射面的排列难度，且镜面加工是仅进行一次即可，因而能够提高对于加工费用的经济效益，并将适宜的补偿器加工而接合，从而能够具体实现小型且轻量的透视型头戴式显示器。

Description

头戴式显示器用光学系统

技术领域

本发明涉及一种头戴式显示装置，尤其涉及在瞳孔位置形成虚像而使小型显示器的影像放大，从而能够给使用者带来现场感和沉浸感的头戴式显示器用光学系统(Optical system for Head Mount Display)。

背景技术

一般来讲，头戴式显示装置(Head Mount Display，HMD)是一种影像显示装置，该装置利用精密的光学装置以使在非常靠近眼睛的位置所产生的影像光能够在远处构成虚拟的大型画面的方式形成焦点，从而使得使用者能够观察到放大的虚像。HMD分为封闭(See-close)型和透视(See-through)型，所述封闭(See-close)型头戴式显示装置观察不到周围环境而仅能够观察得到在显示器件所发散的影像光，而所述透视(See-through)型头戴式显示装置不仅能够通过窗口观察得到周围环境，而且还能够观察得到在显示器件所发散的影像光。

这种HMD由于如个人眼镜那样以佩戴的形态提供，因而须轻量、小型且提供高分辨率。因此，为了实现轻量化、小型化以及高分辨率，提出有能够适用于HMD的多种光学系统。

尤其，若以一般旋转对称性光学系统来构成，则透镜和小型显示器对于光轴排成一列，因此，原则上不可能具体实现能够观察得到外部风景的透视(See-through)型HMD。因此，做过利用具有偏心而非为旋转对称的光学系统来所要具体实现HMD的尝试。

作为一例，在日本公开专利公报第2003-241100号(2003年08月27日公开)中公开有以具有带偏心的3个曲面的棱镜(Prism)形态构成的偏心光学系统，但这种偏心光学系统是为了提高光学性能而使用更多的光学面。因此，在为非球面棱镜的情况下，不仅制作非常繁琐，而且为了提高光学性能而使用更多的光学面，从而光学配件的制作费用增加且在各光学配件的排列上存在诸多困难。

另外，根据现有技术，由于须将曲面相对于视点面倾斜，因而使得光学系统装配本身就相当困难。因此，越是追加设置光学配件则除了加工费用之外还产生直接性的装配费用，且装配上花费所需的时间，因而还存在生产时间也被拉长的缺点。

作为一例，在日本公开专利公报第2006-065234号(2006年03月09日公开)中公开有仅利用一个光学配件而在视点形成虚像的偏心光学系统及利用其的光学系统，虽然这是一种仅利用一个光学配件而在视点形成虚像的光学系统，但在一个配件内产生两次反射和两次折射，因而带来屈光力(refractivepower)的变化的面总共为3个面(在1个面重复进行反射和折射)，因此，存在非常难以排列各光学配件的问题。

同样地、在日本公开专利公报第2006-313365号(2006年11月16日公开)的影像显示装置也是带来屈光力的变化的面总共为3个面之多，且在1个面重复进行反射和折射，因此，光学配件制作费用需要非常多，且将各光学配件排列起来存在困难。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本公开专利公报第2003-241100号(2003年08月27日公开)

专利文献2：日本公开专利公报第2006-065234号(2006年03月09日公开)

专利文献3：日本公开专利公报第2006-313365号(2006年11月16日公开)

发明内容

所要解决的问题

因此，旨在解决上述问题的本发明的目的在于提供一种头戴式显示器用光学系统，该光学系统为了提高光学性能而并不是使用诸多光学面而是仅使用最小限度的反射镜，从而能够降低光学配件的制作费用和反射面的排列难度。

另外，本发明的目的在于提供一种头戴式显示器用光学系统，该光学系统适当地配置具有偏心的曲面，从而能够使光学系统的大小最小化并能够使其轻量化。

另外，本发明的目的在于提供一种头戴式显示器用光学系统，该光学系统将适宜的补偿器(Compensator)加工而接合，从而能够具体实现透视。

解决问题的方案

用于达到上述目的的根据本发明的头戴式显示器用光学系统，其特征在于，具有非球面棱镜(Prism)形态，所述非球面棱镜使得在如液晶显示器(LCD)或硅基液晶(LCoS)显示器那样的小型显示装置所发散的光在具有偏心的第一曲面折射，并在倾斜的平面和第二曲面反射，且在上述倾斜的平面折射而形成虚像。

另外，用于达到上述目的的根据本发明的头戴式显示器用光学系统，其特征在于，具有非球面棱镜(Prism)形态，所述非球面棱镜具有2个曲面和1个平面使得在对于佩戴了头戴式显示器(Head Mount Display，HMD)的使用者的瞳孔面以x轴为中心沿逆时针方向仅倾斜了θ_d的显示器件所发散的光在第一曲面折射之后，在对于上述瞳孔面以x轴为中心沿逆时针方向仅倾斜了θ_p的侧平面反射而入射第二曲面并在第二曲面再次反射，在上述第二曲面所反射的光在上述侧平面再次折射而在瞳孔附近形成虚像。

另外，根据本发明的头戴式显示器用光学系统在上述第二曲面的相反面进一步接合补偿器(Compensator)，该补偿器制作成以与上述侧平面相同的角度倾斜的平面，从而能够具体实现透视型头戴式显示器。

另外，根据本发明的头戴式显示器用光学系统，其特征在于，在上述第二曲面实施了半透射涂层(Coating)或偏光涂层。

另外，根据本发明的头戴式显示器用光学系统，在上述侧平面实施半透射涂层(Coating)或偏光涂层而提高光效，从而能够得到明亮的影像。

另外，根据本发明的头戴式显示器用光学系统，其特征在于，上述瞳孔面与上述侧平面之间的角度满足下述数学式6：

数学式6

10°≤|θ_p|≤30°

这里，θ_p是从上述瞳孔面以x轴为中心沿逆时针方向测定至上述侧平面为止的角度。

另外，根据本发明的头戴式显示器用光学系统，其特征在于，上述瞳孔面与上述显示器件之间的角度满足下述数学式7：

数学式7

35°≤|θ_d|≤55°

这里，θ_d是从上述瞳孔面以x轴为中心沿逆时针方向测定至上述显示器件为止的角度。

另外，根据本发明的头戴式显示器用光学系统，其特征在于，上述侧平面与上述显示器件之间的角度θ满足下述数学式8：

数学式8

15°≤|θ|≤30°

这里，θ是从上述侧平面以x轴为中心沿逆时针方向测定至上述显示器件为止的角度。

发明效果

本发明为了提高光学性能而并不是使用诸多光学面而是仅使用最小限度的反射镜，从而具有能够降低光学配件的制作费用和反射面的排列难度的效果。

另外，本发明适当地配置具有偏心的曲面，从而具有能够使光学系统的大小最小化并能够使其轻量化的效果。

另外，本发明由于镜面加工是仅进行一次即可，因而具有能够提高对于加工费用的经济效益的优点。

另外，本发明是将适宜的补偿器(Compensator)加工而接合，从而具有能够具体实现透视，且还能够使用于如增强现实那样的用途的优点。

附图说明

图1是表示了构成根据本发明的头戴式显示器用光学系统的光学配件的配置以及该配置所形成的光路图的图。

图2是根据本发明的头戴式显示器用光学系统的光路图。

图3是示出了根据本发明的头戴式显示器用光学系统的性能的光斑图(Spot diagram)。

具体实施方式

下面将参照各附图详细说明本发明的各优选实施例。需要注意的是，各图中各相同的符号无论在何处也尽可能表示相同的构成。在下述说明中出现各个具体特定事项，而这是为了有助于更为全盘地理解本发明而提供的。而且，在说明本发明过程中，在判断为对于相关的公知功能或构成的具体说明有可能使本发明的要旨不必要地模糊的情况下省略其详细说明。

本发明提供一种HMD用光学系统，该光学系统对于为了提高光学性能而使用更多的光学面导致在光学配件的制作费用和排列方面存在困难的头戴式显示器(Head Mount Display，HMD)，仅使用1片反射镜，从而能够降低制作费用和反射面的排列难度，且镜面加工是仅进行一次即可，因而能够提高对于加工费用的经济效益。

本发明是在瞳孔位置形成虚像而使得如LCD(液晶显示器)或LCoS(硅基液晶)显示器那样的小型显示器的影像放大的光学系统，该光学系统是对于能够给使用者带来现场感和沉浸感的HMD适当地配置具有偏心的曲面而构成，从而使光学系统的大小最小化，并将适宜的补偿器(Compensator)加工而接合，从而提供一种能够具体实现透视型头戴式显示器的HMD用光学系统。

图1是表示了构成根据本发明的头戴式显示器用光学系统的光学配件的配置以及该配置所形成的光路图的图，根据本发明的HMD用光学系统在对于佩戴了HMD的使用者的瞳孔(Eye Pupil，Stop)面以x轴为中心沿逆时针方向仅倾斜了θ_d的显示器件(Micro display)所发散的光在第一曲面(1^st curvedsurface)折射之后，在对于瞳孔(Stop)面以x轴为中心沿逆时针方向仅倾斜了θ_p的平面(Tilted flat surface)反射而入射第二曲面(2^nd curved surface)并在第二曲面再次反射。

在第二曲面(2^nd curved surface)所反射的光在对于瞳孔(Stop)面以x轴为中心沿逆时针方向仅倾斜了θ_p的平面(Tilted flat surface)再次折射而在瞳孔附近形成虚像。由此，显示器件(Micro display)的影像被放大，从而具有犹如在离开有一定距离的位置观看大型画面的效果。因此，根据本发明的HMD用光学系统的主要光学配件是由2个曲面和1个平面构成，即由总共3个面构成，并具有棱镜(Prism)形态(以下，称为“非球面棱镜”)。如前面所述，就根据本发明的HMD用光学系统而言，通过了非球面棱镜的显示器件(Micro display)的影像在瞳孔形成虚像(Virtual image)。

此时，若在第二曲面(2^nd curved surface)实施半透射涂层(Coating)或偏光涂层，并接合具有第二曲面(2^nd curved surface)的形状且另一面具有倾斜的平面的光学配件(以下，称为“补偿器”(Compensator))，则连外部影像也能够同时观察到。

另外，为了提高光效而得到明亮的影像，还能够在倾斜的平面(Tilted flatsurface)和第二曲面(2^nd curved surface)适用偏光涂层或半透射涂层等。

图2是根据本发明的实施例的头戴式显示器用光学系统的光路图，是表示了透镜配件的配置以及通过该配置的光线的行进的图。在实际产品中，虽然在显示器件150所发散的光经非球面棱镜而进入瞳孔面，但在光学设计阶段有时与此相反地以将瞳孔面作为光圈面110，并在该光圈面110发出与光轴几乎平行的光线并使光线会聚于显示器件150而成像的方式进行设计。

参照图2，从光圈面110对于光轴入射的平行光线在侧平面120折射而入射第二曲面130并在第二曲面130被反射。在第二曲面所反射的光接着入射侧平面120并在侧平面120反射而入射第一曲面140，入射第一曲面140而在第一曲面140折射的光在显示器件150成像。

此时，若在第二曲面130上实施半透射涂层或偏光涂层，并接合具有与第二曲面130相反的形状且另一面具有倾斜的平面的补偿器(参考图1)，则连外部影像也能够同时观察到。

图3是表示了根据图2的实施例的头戴式显示器用光学系统的性能的光斑图(Spot diagram)，是如图2那样反过来解释根据本发明的HMD用光学系统而假定在显示器件150存在像面并观察的光斑图。一般来讲，旋转对称性光学系统是以纵向像差的程度和横向像差的程度等来评价性能，但根据本发明的HMD用光学系统并不是旋转对称性光学系统，因而最好以光斑图来评价性能。若是如图3那样的程度就能够没有任何问题地观察到影像。

如图3中所图示，各光斑(Spot)的四边大小是横向为0.2mm且纵向为0.2mm。这种光斑图是几何光学的点扩散函数(Point spread function)，是指越是会聚于一点其性能就越好。光学系统由于仅对于y轴有对称性而对于x轴无对称性，因而对于总共9个光斑计算了视场(Field)。图3中位于中央的是零视场(Zero-field)的光斑图。

各光斑图(Spot diagram)的DG表示角度，RMS(Root Mean Square，均方根值)表示各光斑(spot)的光斑尺寸有效值(rms spot size)，且100％表示通过瞳孔(Stop)面的所有光线所到达像面的最小圆的大小。

在本发明的详细说明中，表示光学系统的信息的表和表示光学系统的性能的图是以在显示器件150成像为基准而制作的。

表1

表2

上述表1和表2示出了图1至图3中所图示的构成根据本发明的HMD用光学系统的各光学配件的参数(Parameter)，示出了各透镜的曲率、透镜厚度、透镜之间的间距、透镜原材料等信息。

表1表示根据本发明的HMD用光学系统的各透镜的曲率、透镜厚度、透镜之间的间距、透镜原材料等信息，表2表示各面的偏心信息。在表1中，Semi-Aperture表示各面的有效面积，Y表示有效面积的横向大小，X表示有效面积的纵向大小，dec表示有效面积对于光圈面110的中心沿y轴方向所平行移动的量，在表2中，Y表示y轴方向的平行移动量，Z表示z轴方向的平行移动量，α表示对于x轴的旋转量。未另行标记的x轴方向的平行移动量和对于y轴及z轴的旋转量均为0。若x轴方向的平行移动量和对于y轴及z轴的旋转量均为0，则在y轴上能够具有对称性，因此，使得光学设计和配件的加工、排列、以及装配等容易。

如前面所述，根据本发明的HMD用光学系统采用的是由1个平面和2个曲面即由总共3个面构成的非球面棱镜形态，由于至少1个面由平面构成，从而能够减少制作费用，并且也非常有利于具体实现透视型HMD。

在如根据本发明的HMD用光学系统那样的非球面棱镜的情况下，构成面的曲面的各顶点和光圈面110的中心并不位于z轴上。即、构成非球面棱镜的各曲面是具有偏心的曲面，因而将它制作起来远比制作一般旋转对称性透镜难。因此，若将至少一个面制作成平面，则难度降低，因而能够较大幅度地节省制作费用。

此时，若使平面位于离光圈面110最近的面上，且将补偿器制作成与侧平面120相同的平面并如图所示那样在第二曲面130的相反面与非球面棱镜接合，则能够观察到光学系统的外部。另外，若要观察无畸变的自然的影像，则最好将靠近光圈面110的面和相反面均构成为无屈光力且对于光圈面110以相同角度倾斜的平面。另外，由于在制作补偿器时剩余的一个面也成为平面，因而这也使得加工容易，因此，在具体实现能够确保外部视场的透视型HMD时也能够节省制作费用。

另一方面，为了减少根据本发明的HMD用光学系统的全长并给使用者带来便利，显示器件150最好位于眼睛上方。因此，最好使第二曲面130以x轴为中心沿顺时针方向旋转，并使侧平面120沿逆时针方向倾斜。

此时，对于透视型来讲，虽然侧平面120的旋转量其绝对值越小就越有利，但这样一来存在显示器件150的光就难以传递，且不能满足全反射条件，或者光学系统的体积变大的问题。因此，若侧平面120的旋转角θ_p处于下述数学式1所示的范围，则能够构成适宜的光学系统。

数学式1

10°≤|θ_p|≤30°

在上述数学式1中，θ_p是在光学设计阶段直接给出的值，例如表示表2的2号或4号面的a值。

另外，虽然显示器件150越是接近90度就越有利于减少光学系统的体积，但实质上光学系统的全长不可能成为0，因而以某种程度的角度来倾斜是不太成问题的。若尽可能以远心(Telecentric)方式构成光学系统，则非常有利于周边光量比，因而显示器件150的倾角θ_d最好具有45度附近的值。

因此，若显示器件150的倾角θ_d处于下述数学式2所示的范围，则能够构成适宜的光学系统。

数学式2

35°≤|θ_d|≤55°

若显示器件150的倾角θ_d过大，则光线在第一曲面140的折射角就变大，因而产生像差并发生制作敏感度等问题，与此相反，若该值过小，则第一曲面140的屈光力变小使得屈光力集中于第二曲面130，导致制作敏感度变高。

若给出了侧平面120的倾角θ_p和显示器件150的倾角θ_d，则侧平面120与显示器件150的角度之差θ以θ＝θ_d-θ_p给出。因此，根据上述数学式1和数学式2，θ的范围是以5度～45度给出，但实质上须具有比其小的范围才能得到充分的光学性能。另外，由于在数学式1和数学式2的中央值附近得到最佳性能，因而θ的范围不能单纯地依据数学式所示的范围，应当在进行光学设计之后再确定θ值，若该值处于下述数学式3所示的范围，则能够构成适宜的光学系统。

数学式3

15°≤|θ|≤30°

此时，在根据本发明的HMD用光学系统中，第二曲面130的非球面系数如下表3所示，且如下述数学式4那样能够以xy-多项式来表示。

表3

数学式4

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{Ar}}^4+{\mathrm{Br}}^6+{\mathrm{Cr}}^8+{\mathrm{Dr}}^{10}$

另外，在根据本发明的HMD用光学系统中，第一曲面140的非球面系数如下表4所示，且如下述数学式5那样能够以xy-多项式来表示。

表4

数学式5

$z=\frac{c(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2(x^2+y^2)}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k{x}^i{y}^i$

$k=\frac{{(i+j)}^2+i+3j}{2}+1$

在根据本发明的实施例中，光圈面110与侧平面120所成的角θ_p是19.72度，光圈面110与显示器件150所成的角θ_d是46.87度。因此，侧平面120与显示器件150所成的角θ是27.15度，由此可知均满足上述数学式1至数学式3。

如前面所述，根据本发明的头戴式显示器用光学系统仅使用1片反射镜，从而能够降低制作费用和反射面的排列难度，且镜面加工是仅进行一次即可，因而能够提高对于加工费用的经济效益，并将适宜的补偿器加工而接合，从而能够具体实现小型且轻量的透视型头戴式显示器。

另一方面，虽然在本发明的详细说明中关于具体实施例进行了说明，但在不逸出本发明的范围的限度内当然能够进行各种变形。因此，本发明的范围不得局限于所说明的实施例而定，应由所附的权利要求书以及与该权利要求书等同的范围而定。

Claims (8)

1.一种头戴式显示器用光学系统，其特征在于，

具有非球面棱镜(Prism)形态，所述非球面棱镜使得在如液晶显示器(LCD)或硅基液晶(LCoS)显示器那样的小型显示装置所发散的光在具有偏心的第一曲面折射，并在倾斜的平面和第二曲面反射，且在上述倾斜的平面折射而形成虚像。

2.一种头戴式显示器用光学系统，其特征在于，

具有非球面棱镜(Prism)形态，所述非球面棱镜具有2个曲面和1个平面使得在对于佩戴了头戴式显示器(Head Mount Display，HMD)的使用者的瞳孔面以x轴为中心沿逆时针方向仅倾斜了θ_d的显示器件所发散的光在第一曲面折射之后，在对于上述瞳孔面以x轴为中心沿逆时针方向仅倾斜了θ_p的侧平面反射而入射第二曲面并在第二曲面再次反射，在上述第二曲面所反射的光在上述侧平面再次折射而在瞳孔附近形成虚像。

3.根据权利要求2所述的头戴式显示器用光学系统，其特征在于，

在上述第二曲面的相反面进一步接合补偿器(Compensator)，该补偿器制作成以与上述侧平面相同的角度倾斜的平面。

4.根据权利要求3所述的头戴式显示器用光学系统，其特征在于，

在上述第二曲面实施了半透射涂层(Coating)或偏光涂层。

5.根据权利要求4所述的头戴式显示器用光学系统，其特征在于，

在上述侧平面实施了半透射涂层(Coating)或偏光涂层。

6.根据权利要求2所述的头戴式显示器用光学系统，其特征在于，

上述瞳孔面与上述侧平面之间的角度满足下述数学式6：

数学式6

10°≤|θ_p|≤30°

这里，θ_p是从上述瞳孔面以x轴为中心沿逆时针方向测定至上述侧平面为止的角度。

7.根据权利要求2所述的头戴式显示器用光学系统，其特征在于，

上述瞳孔面与上述显示器件之间的角度满足下述数学式7：

数学式7

35°≤|θ_d|≤55°

这里，θ_d是从上述瞳孔面以x轴为中心沿逆时针方向测定至上述显示器件为止的角度。

8.根据权利要求2所述的头戴式显示器用光学系统，其特征在于，

上述侧平面与上述显示器件之间的角度θ满足下述数学式8：

数学式8

15°≤|θ|≤30°

这里，θ是从上述侧平面以x轴为中心沿逆时针方向测定至上述显示器件为止的角度。