CN104932105A - 一种拼接式头盔显示装置 - Google Patents

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宋维涛
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Abstract

本发明公开了一种拼接式头盔显示装置，包括位于人眼前方且相对于人眼视线方向对称分布的多个显示通道；各显示通道的出瞳中心均位于人眼眼瞳中心，相邻显示通道的重叠部分采用切割后拼接的方式结合在一起；本发明的拼接式头盔显示装置可应用于虚拟现实和增强现实，具有出瞳直径大，出瞳距离长，视场角大，像面照度均匀以及F数小的特点，组成头盔显示装置的每个光学部件全部由球面透镜组成，采用切割拼接的方式，使得显示装置结构紧凑，易于加工，方便装调。

Description

一种拼接式头盔显示装置
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，尤其涉及一种基于球面透镜同轴目镜的拼接式头盔显示装置。
背景技术
用于虚拟现实和增强现实的头盔显示装置由于提供显示物体沉浸感强、私密性好、可移动性强一直以来是近年来显示领域的热门产品。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。
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。
为了打破这种制约，多种技术方法提出并且应用在实际系统中，例如：注视区域高清化头盔显示技术(High-resolution area of interest)、双目分视头盔显示技术(Dichoptic area of interest)；双目交叠头盔显示技术(Partialbinocular over lap)；高分辨率微型图像源头盔显示技术；光学拼接式头盔显示技术，在这些技术中拼接式头盔显示技术由于其硬件易实现性、软件易操作性而得到了广泛关注。
已有的光学拼接式头盔显示装置，每个显示通道大多使用不多于三片光学透镜，虽然实现了大视场，但是却由于像质不能达到要求而不能实现高分辨率；很多装置引用非球面、衍射表面、自由曲面以及离轴结构，然而这样会大大增加系统的加工成本和装调成本，进而限制了光学拼接式头盔显示装置的商用化和普遍化。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于球面透镜同轴目镜的拼接式头盔显示装置，结构紧凑，易于加工，方便装调。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种拼接式头盔显示装置，包括位于人眼前方且相对于人眼视线方向对称分布的多个显示通道；各显示通道的出瞳中心均位于人眼眼瞳中心，相邻显示通道的重叠部分采用切割后拼接的方式结合在一起；其中，相邻显示通道的视场重叠范围在5°至半个视场角；
所述显示通道包括光学目镜和微显示器(8)；光学目镜包括依次排列在人眼前方的第一透镜(2)、第二透镜(3)、第三透镜(4)、第四透镜(5)、第五透镜(6)、第六透镜(7)；所述微型显示器8位于第六透镜(7)的前方；第一透镜(2)朝光阑一侧的面凸向光阑侧，曲率半径为正值；第一透镜(2)、第二透镜(3)和第五透镜(6)均为正透镜；第三透镜(4)和第四透镜(5)组成正-负形式的双胶合透镜；第一透镜(2)和第二透镜(3)的组合焦距F l 2，第三透镜(4)和第四透镜(5)的组合焦距F34，光学目镜总焦距FT以及第一透镜(2)到第五透镜(6)的组合焦距F15满足如下关系：0.8<F12/FT<3；0.9<F34/FT<6；0.8<F15/FT<1.9；第四透镜(5)、第六透镜(7)在d线的折射率均大于1.7，第一透镜(2)、第二透镜(3)、第三透镜(4)、第五透镜(6)在d线的阿贝数均大于40，并且第一透镜(2)、第二透镜(3)在d线的阿贝数大于第五透镜(6)在d线的阿贝数；光学目镜的出瞳尺寸小于10mm，出瞳距离在15mm至25mm之间。
较佳的，所述拼接式头盔显示装置中各光学器件的参数如下：
面序号 曲率半径 面间隔 折射率Nd 阿贝数Vd
1 19.00
2 318.4353 2.71 1.529 66.37
3 -34.5174 0.10
4 34.5174 2.71 1.529 66.37
5 -318.4353 0.10
6 13.8185 9.59 1.620 60.32
7 -139.1958 0.65 1.755 27.59
8 9.7499 1.43
9 11.6988 5.77 1.620 60.32
10 -38.8649 2.49
11 -14.7715 0.50 1.755 27.58
12 无限 0.10
13 无限
其中，面序号1-13依次表示光阑(1)、第一透镜(2)的前表面、第一透镜(2)的后表面、第二透镜(3)的前表面、第二透镜(3)的后表面、第三透镜(4)的前表面、第三透镜(4)和第四透镜(5)的胶合面、第四透镜(5)的后表面、第五透镜(6)的前表面、第五透镜(6)的后表面、第六透镜(7)的前表面、第六透镜(7)的后表面以及微显示器(8)。
较佳的，定义头盔显示装置的坐标系为：原点O位于人眼的眼瞳中心，Z轴为人眼视线方向，Y轴垂直于Z轴向上；X轴垂直Y轴与Z轴，构成笛卡尔坐标系；所述显示通道有两个，且两个显示通道的光轴位于平面yoz内。
较佳的，定义头盔显示装置的坐标系为：原点O位于人眼的眼瞳中心，Z轴为人眼视线方向，Y轴垂直于Z轴向上；X轴垂直Y轴与Z轴，构成笛卡尔坐标系；所述显示通道有三个，且三个显示通道的光轴均位于平面yoz内；其中一个显示通道的光轴与所述z轴重合，另外两个显示通道的光轴相对于z轴对称。
较佳的，定义头盔显示装置的坐标系为：原点O位于人眼的眼瞳中心，Z轴为人眼视线方向，Y轴垂直于Z轴向上；X轴垂直Y轴与Z轴，构成笛卡尔坐标系；所述显示通道有四个，其中两个显示通道的光轴位于平面yoz内且该两光轴相对于z轴对称，另外两个显示通道的光轴位于平面xoz内且该两光轴相对于z轴对称。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的拼接式头盔显示装置可应用于虚拟现实和增强现实，具有出瞳直径大，出瞳距离长，视场角大，像面照度均匀以及F数小的特点，组成头盔显示装置的每个光学部件全部由球面透镜组成，采用切割拼接的方式，使得显示装置结构紧凑，易于加工，方便装调。
附图说明
图1是本发明的头盔显示装置中显示通道的光学结构示意图。
图2是本发明实施案例1中拼接式头盔显示装置结构示意图。
图3是本发明实施案例2中拼接式头盔显示装置构成图。
图4是本发明实施案例3中大视场高分辨率拼接式头盔显示装置构成图。
其中，1-光阑、2-第一透镜、3-第二透镜、4-第三透镜、5-第四透镜、6-第五透镜、7-第六透镜、8-微显示器。
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。
本发明的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。
本发明的拼接式头盔显示装置包括位于人眼前方且相对于人眼视线方向对称分布的多个显示通道；各显示通道的出瞳中心均位于人眼眼瞳中心，相邻显示通道的重叠部分采用切割后拼接的方式结合在一起。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。为保证大视场，同时保证拼接效果，相邻显示通道的视场重叠范围在5°至半个视场角。
如图1所示，光学目镜和微型显示器8构成了一个显示通道，第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6、第六透镜7构成了光学目镜系统，人眼在光阑1处进行观察。第一透镜2朝光阑1一侧的面凸向光阑侧，曲率半径为正值；第一透镜2、第二透镜3和第五透镜6均为正透镜；第三透镜4和第四透镜5组成正-负形式的双胶合透镜，用于校正系统的色差；第五透镜6和第六透镜7校正视场相关的像差，包括畸变和场曲，良好的控制了系统的像方远心特性。
第一透镜2和第二透镜3的组合焦距F l 2，第三透镜4和第四透镜5的组合焦距F34，光学目镜总焦距FT以及第一透镜2到第五透镜6的组合焦距F15满足如下关系：0.8<F12/FT<3；0.9<F34/FT<6；0.8<F15/FT<1.9；第四透镜5、第六透镜7在d线的折射率均大于1.7，第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第五透镜6在d线的阿贝数均大于40，并且第一透镜2、第二透镜3在d线的阿贝数大于第五透镜6在d线的阿贝数。光学目镜的出瞳尺寸小于10mm，出瞳距离大于15mm且小于25mm。
表1列出了显示装置各光学器件的参数，其中，出瞳距离为19mm，有效焦距为16mm，视场角2w＝50度，出瞳直径为7mm。
表1光学器件参数
其中，面序号1-13依次表示光阑1、第一透镜2的前表面、第一透镜2的后表面、第二透镜3的前表面、第二透镜3的后表面、第三透镜4的前表面、第三透镜4和第四透镜5的胶合面、第四透镜5的后表面、第五透镜6的前表面、第五透镜6的后表面、第六透镜7的前表面、第六透镜7的后表面以及微显示器8。
图2示出的拼接式头盔显示装置由两个显示通道组成，两显示通道的光轴均位于YOZ面内。第一显示通道在YOZ面绕全局坐标系z轴旋转一定角度，第二显示通道则绕在YOZ面绕全局坐标系绕z轴反方向旋转相同角度，重叠区域进行切割拼接。本实施例中的拼接式头盔显示系统使用的图像源为4:3；两通道光轴之间的角度24度，此时显示系统的水平视场角66度，垂直视场角32度。
图3示出了第二实施例的拼接式头盔显示系统，包括三个显示通道。第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6、第六透镜7构成了光学目镜系统，光学目镜系统和微型显示器8构成了一个显示通道，。第一显示通道的光轴在全局坐标系Z轴上，第二显示通道则绕在YOZ面绕全局坐标系z轴旋转一定角度，第三显示通道则绕在YOZ面绕全局坐标系绕z轴反方向旋转相同角度，重叠区域进行切割拼接。该实施例的拼接式头盔显示系统使用的图像源为4:3；相邻两显示通道光轴之间的角度24度，此时显示系统的水平视场角110度，垂直视场角32度。
图4示出了本发明第二实施例的拼接式头盔显示系统，包括四个显示通道。第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6、第六透镜7构成了光学目镜系统，光学目镜系统和微型显示器8构成了一个显示通道。两个显示通道的光轴位于平面yoz内且该两光轴相对于z轴对称，另外两个显示通道的光轴位于平面xoz内且该两光轴相对于z轴对称。本实施例的拼接式头盔显示系统使用的图像源为4:3；光轴之间的角度24度，此时整个显示系统的水平视场角66度，垂直视场角56度。
综上所述，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 (5)

1.一种拼接式头盔显示装置，其特征在于，包括位于人眼前方且相对于人眼视线方向对称分布的多个显示通道；各显示通道的出瞳中心均位于人眼眼瞳中心，相邻显示通道的重叠部分采用切割后拼接的方式结合在一起；其中，相邻显示通道的视场重叠范围在5°至半个视场角；
所述显示通道包括光学目镜和微显示器(8)；光学目镜包括依次排列在人眼前方的第一透镜(2)、第二透镜(3)、第三透镜(4)、第四透镜(5)、第五透镜(6)、第六透镜(7)；所述微型显示器8位于第六透镜(7)的前方；第一透镜(2)朝光阑一侧的面凸向光阑侧，曲率半径为正值；第一透镜(2)、第二透镜(3)和第五透镜(6)均为正透镜；第三透镜(4)和第四透镜(5)组成正-负形式的双胶合透镜；第一透镜(2)和第二透镜(3)的组合焦距Fl2，第三透镜(4)和第四透镜(5)的组合焦距F34，光学目镜总焦距FT以及第一透镜(2)到第五透镜(6)的组合焦距F15满足如下关系：0.8<F12/FT<3；0.9<F34/FT<6；0.8<F15/FT<1.9；第四透镜(5)、第六透镜(7)在d线的折射率均大于1.7，第一透镜(2)、第二透镜(3)、第三透镜(4)、第五透镜(6)在d线的阿贝数均大于40，并且第一透镜(2)、第二透镜(3)在d线的阿贝数大于第五透镜(6)在d线的阿贝数；光学目镜的出瞳尺寸小于10mm，出瞳距离在15mm至25mm之间。
2.如权利要求1所述的一种拼接式头盔显示装置，其特征在于，所述拼接式头盔显示装置中各光学器件的参数如下：
面序号 曲率半径 面间隔 折射率Nd 阿贝数Vd 1 19.00 2 318.4353 2.71 1.529 66.37 3 -34.5174 0.10 4 34.5174 2.71 1.529 66.37 5 -318.4353 0.10 6 13.8185 9.59 1.620 60.32 7 -139.1958 0.65 1.755 27.59
8 9.7499 1.43 9 11.6988 5.77 1.620 60.32 10 -38.8649 2.49 11 -14.7715 0.50 1.755 27.58 12 无限 0.10 13 无限
其中，面序号1-13依次表示光阑(1)、第一透镜(2)的前表面、第一透镜(2)的后表面、第二透镜(3)的前表面、第二透镜(3)的后表面、第三透镜(4)的前表面、第三透镜(4)和第四透镜(5)的胶合面、第四透镜(5)的后表面、第五透镜(6)的前表面、第五透镜(6)的后表面、第六透镜(7)的前表面、第六透镜(7)的后表面以及微显示器(8)。
3.如权利要求1或2所述的一种拼接式头盔显示装置，其特征在于，定义头盔显示装置的坐标系为：原点O位于人眼的眼瞳中心，Z轴为人眼视线方向，Y轴垂直于Z轴向上；X轴垂直Y轴与Z轴，构成笛卡尔坐标系；所述显示通道有两个，且两个显示通道的光轴位于平面yoz内。
4.如权利要求1或2所述的一种拼接式头盔显示装置，其特征在于，定义头盔显示装置的坐标系为：原点O位于人眼的眼瞳中心，Z轴为人眼视线方向，Y轴垂直于Z轴向上；X轴垂直Y轴与Z轴，构成笛卡尔坐标系；所述显示通道有三个，且三个显示通道的光轴均位于平面yoz内；其中一个显示通道的光轴与所述z轴重合，另外两个显示通道的光轴相对于z轴对称。
5.如权利要求1或2所述的一种拼接式头盔显示装置，其特征在于，定义头盔显示装置的坐标系为：原点O位于人眼的眼瞳中心，Z轴为人眼视线方向，Y轴垂直于Z轴向上；X轴垂直Y轴与Z轴，构成笛卡尔坐标系；所述显示通道有四个，其中两个显示通道的光轴位于平面yoz内且该两光轴相对于z轴对称，另外两个显示通道的光轴位于平面xoz内且该两光轴相对于z轴对称。
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