CN105652440A - 一种hmd投影显示光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种HMD投影显示光学系统，由物测至人眼侧，所述的HMD投影显示光学系统包括：Lcos、PBS棱镜、第一棱镜及第二棱镜；所述第二棱镜为凸面棱镜，一面为凸球面，与所述凸球面的相对的斜面上涂有半反半透膜；所述第二棱镜通过所述半反半透膜与所述第一棱镜的斜面胶合；一面光源产生的光透过所述的PBS棱镜后照射所述Lcos，产生图像，所述图像的光依次经过所述PBS棱镜的反射、所述第一棱镜的透射、所述凸球面的反射及所述半反半透膜的反射进入人眼；位于所述第一棱镜上方的外界景象透过所述第一棱镜及第二棱镜进入所述人眼。本发明的HMD投影显示光学系统结构简单紧凑、棱镜厚度小、体积小、重量轻、光学成像质量高。

Description

一种HMD投影显示光学系统

技术领域

本发明是关于光学投影显示技术，特别是关于一种HMD投影显示光学系统。

背景技术

头戴式可视设备(HeadMountDisplayHMD)设备重量轻、较好的携带舒适度和高性能是当前光学设计必不可少的要求，这些因素造成其光学系统的设计是一项非常具有挑战性的工作。HMD投影设备最早出现在军事领域，可以实时显示战术信息，辅助目标瞄准识别，还可用于夜视系统。随着设计理念、制造水平和微显示技术的不断进步，HMD投影设备越来越小型化，并逐渐进入人们的日常生活，现已广泛应用于娱乐、模拟仿真训练、外科手术等虚拟现实技术的各个领域。HMD投影显示设备的光学系统是一个图像放大系统，微显示器所产生的影像藉由光学系统放大，在人眼前一定距离处呈现一个放大的虚像，使用户可以完全沉浸在虚拟的情境之中，也可以与现实相结合，形成一种拓展现实场景。目前关于HMD投影显示设备的光学系统的文献中，对光学系统设计的分析基本上采用的是传统透镜式或自由曲面/折衍混合结构，第一种机构多为旋转对称的目镜结构虽然光学性能可以接近衍射极限并较好地校正畸变，但是多组透镜的结构复杂，装调和加工要求精度高，体积重量也很大，长时间佩戴会引起颈部疲劳，第二种自由曲面型结构与折/混合式机构设计较困难，花费时间较长，而且元件的制作商比较少，价格昂贵。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供了一种HMD投影显示光学系统，以提高成像质量，并减小体积、节省成本。

为了实现上述目的，本发明提供了一种HMD投影显示光学系统，由物测至人眼侧，所述的HMD投影显示光学系统包括：Lcos、PBS棱镜、第一棱镜及第二棱镜；所述第二棱镜为凸面棱镜，一面为凸球面，与所述凸球面的相对的斜面上涂有半反半透膜；所述第二棱镜通过所述半反半透膜与所述第一棱镜的斜面胶合；

一面光源产生的光透过所述的PBS棱镜后照射所述Lcos，产生图像，所述图像的光依次经过所述PBS棱镜的反射、所述第一棱镜的透射、所述凸球面的反射及所述半反半透膜的反射进入人眼；

位于所述第一棱镜上方的外界景象透过所述第一棱镜及第二棱镜进入所述人眼。

在一实施例中，所述PBS棱镜由两块三棱镜胶合而成，当所述图像的照射在所述PBS棱镜上时，在两块所述三棱镜的胶合面上发生反射。

在一实施例中，所述人眼的水平视场角为±10°，垂直视场角为±8.7°，所述水平视场角与所述垂直视场角的正切比值应为16：9。

在一实施例中，所述人眼到所述第二棱镜为15mm。

在一实施例中，所述第二棱镜与所述第一棱镜胶合后形成的胶合件偏心小于等于10′；所述第一棱镜及所述第二棱镜的第一平行差为5′，第二平行差为10′；所述第二棱镜与所述第一棱镜的厚度为9mm；所述第二棱镜与所述第一棱镜的斜面的倾角为45°。

在一实施例中，所述Lcos的像素为640×360，有效尺寸为8.448×4.752mm，对角线尺寸约为9.8mm。

在一实施例中，所述第一棱镜为六面棱镜，除所述第一棱镜的斜面外，其余四个面均与底面相互垂直；所述半反半透膜的反射透射比为1:1、1:2或2:1；所述凸球面为非球面、二次曲面、自由曲面或球面中的一种。

在一实施例中，所述面光源产生的平行光经所述PBS棱镜后透过P光进入所述Lcos，经过所述Lcos调制之后出射S光的图像，再次进入所述PBS棱镜后反射。

在一实施例中，所述人眼到所述Lcos的像面的光路总长度小于60mm。

在一实施例中，所述第一棱镜及第二棱镜的光圈为5，局部光圈为0.5。

本发明实施例的有益效果在于，本发明的HMD投影显示光学系统结构简单紧凑，棱镜厚度小而且体积小、重量轻、光学成像质量高、加工成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的HMD投影显示光学系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的图像产生的光路示意图；

图3A为本发明实施例中垂直视场角为0°的垂轴像差特性曲线；

图3B为本发明实施例中垂直视场角为8.7°的垂轴像差特性曲线；

图3C为本发明实施例中垂直视场角为-8.7°的垂轴像差特性曲线；

图3D为本发明实施例中垂直视场角为-7.07°的垂轴像差特性曲线；

图3E为本发明实施例中垂直视场角为7.07°的垂轴像差特性曲线；

图4为本发明实施例的场曲和畸变特性曲线；

图5为本发明实施例的垂轴色差特性曲线；

图6为本发明实施例的调制传递函数特性曲线MTF；

图7为本发明实施例的相对畸变示意图；

图8A为本发明实施例中垂直视场角为0°时的点列图；

图8B为本发明实施例中垂直视场角为8°时的点列图；

图8C为本发明实施例中垂直视场角为-8°时的点列图；

图8D为本发明实施例中垂直视场角为-7.07°时的点列图；

图8E为本发明实施例中垂直视场角为7.07°时的点列图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种HMD投影显示光学系统，基于PBS偏振、反射、能量分束、光线合成、光路可逆原理，提高了光学系统质量，降低了加工难度，缩小了光学系统尺寸，下面详细说明如下：

如图1所示，本发明提供一种HMD投影显示光学系统，由物测至人眼侧，所述的HMD投影显示光学系统包括：硅基液晶(LiquidCrystalonSilicon简称Lcos)7、PBS棱镜、第一棱镜3及第二棱镜2。

第二棱镜2为凸面棱镜，一面为凸球面8，与凸球面的相对的一面为斜面9，斜面9上涂有半反半透膜。该第二棱镜2通过半反半透膜与第一棱镜3的斜面胶合，即第二棱镜2与第一棱镜3胶合在一起。胶合后可以在第二棱镜2和PBS棱镜之间传递光路、图像。

凸球面8的设计如下：第二棱镜2的一面镀有内反射膜，面型为非球面、二次曲面、自由曲面或球面中的一种，内反射膜为金属反射膜，反射率大于98％。

第二棱镜2的凸球面8作为成像光路部分，通过凸面反射起汇聚光线放大图像作用，相当于成像于无穷远处。在人眼前方很小的距离处，人眼是看不清物体的，当加入凸球面8后，人眼前的物体经过半反半透凸面棱镜出射平行光进入人眼，相当于无穷远处物体进入人眼，人眼焦距变化范围内都可以看清物体。

一面光源6产生的光透过PBS棱镜后照射Lcos7，产生图像。图2为图像产生的光路的传播路径示意图，如图1及图2所示，图像的光依次经过PBS棱镜的反射、第一棱镜3的透射、第二棱镜2的凸球面8的反射及像差校正，最后经过半反半透膜13的反射进入人眼(即入瞳)1，此时人眼看到的为虚拟的景象。

如图1所示，位于第一棱镜3上方的外界景象透过第一棱镜3及第二棱镜2进入人眼1，此时人眼看到的为现实的景象。

本发明的HMD投影显示光学系统的设计时采用光路可逆原理反向设计，外界景象发出的平行光进过第二棱镜2和第一棱镜3的胶合进人人眼，人眼可以看见外界景物。同时，Lcos7产生的像面产生的像面经过PBS反射、第一棱镜3的透射、第二棱镜2的凸球面8的反射，最后经过第二棱镜2的半反半透膜的反射进入人眼，这样当人眼看见外界无穷远物体的同时，也可以清晰地看到图像源(Lcos7)产生的图像信息，实现了虚拟与现实的结合。

为实现虚拟与现实的结合，本发明的HMD投影显示光学系统采用了半反半透凸面棱镜和普通棱镜的胶合(即第二棱镜2与第一棱镜3的胶合形成的胶合棱镜)。为实现虚拟图像可以进入人眼，人眼能够看清图像，设计了胶合棱镜；为模拟无穷远成像设计了第二棱镜2的凸球面8。图像生成部分，本发明的HMD投影显示光学系统采用了Lcos投影显示技术，Lcos产生图像需要均匀准直光线照射和PBS棱镜，因此设计了面光源，采用的是led加匀光导光板或者OLED背光源的方式，由于波段较宽入射角度较大，设计了ZF2材料的PBS棱镜。换句话说，本发明的HMD投影显示光学系统的光路中各个光学元件的功能如下：第二棱镜2的半反半透面(半反半透膜所在的面)的作用是实现外界景物与图像源的结合；凸球面8的作用是处理图像相当于成像于无穷远处，实现了放大和像差平衡的作用；第一棱镜3的作用是实现光路的传递，同时实现人眼前光学元件厚度尺度最小化的要求，可以缩小空间，更容易佩戴，外观上也较美观。PBS棱镜、面光源(Oled背光源或led导光板)6和Lcos7是像源生成模块。

在一实施例中，PBS棱镜由两块三棱镜4、5胶合而成，当图像的光照射在PBS棱镜上时，在两块三棱镜4、5的胶合面11上发生反射。

第二棱镜2与第一棱镜3胶合的方式可以有多种，在一实施例中，第二棱镜2与第一棱镜3通过光敏胶胶合在一起。需要注意的是，第二棱镜2与第一棱镜3进行胶合时，胶合面不得有气泡灰尘与污渍。

在一实施例中，第二棱镜2与第一棱镜3胶合后形成的胶合件偏心小于等于10′，并且第一棱镜3及第二棱镜2的第一平行差均为5′，第二平行差均为10′。

在一实施例中，第二棱镜2与第一棱镜3的厚度为9mm。在第二棱镜2及第一棱镜3的设计中，第二棱镜2及第一棱镜3一般需要小于10mm。

HMD投影显示光学系统的边缘视场在30lp/mm空间频率处的MTF大于0.3，系统的相对畸变小于1.5％。

在一实施例中，第一棱镜3及第二棱镜2的光圈为5，局部光圈为0.5。

在一实施例中，第二棱镜2与第一棱镜3的斜面的倾角均为45°，即角A的度数为45°，另外，由图1可知，角B及角C均为145°，本发明不以此为限。第二棱镜2与第一棱镜3的胶合面上，外界景象与Lcos7产生的图像合成，共同进入人眼。

在一实施例中，第二棱镜2与第一棱镜3采用的材料为光学级亚克力PMMA或CAF2或K9，凸面具有放大、倒转像面的作用。PMMA的密度为1.19g/cm³，K9玻璃的密度为3.18g/cm³，可以看出采用PMMA比采用K9玻璃的重量小一半左右，而从光学成像质量上相差并不大。

在一实施例中，第一棱镜3为六面棱镜，除第一棱镜3的斜面10之外，其余四个面均与底面12相互垂直，第一棱镜3的六个面可以均镀上增透膜。

在一实施例中，半反半透膜的反射透射比为1:1、1:2或2:1，本发明不以此为限。

在一实施例中，为了增加光路的透过率，对于HMD投影显示光学系统中的所有棱镜，光路经过部分，需要在出光面及入光面都镀上增透膜，透过率≥98％，膜层要求牢固均匀无污渍。

对于人眼的视场设计，在一实施例中，人眼的水平视场角为±10°，垂直视场角为±8.7°。当人眼水平视场角为±10°，垂直视场角为±8.7°时，可在4m远看清长1.4m、宽1.2m的图像，相当于73英寸的电视。当采用LCOS为图像源时，由于其输出图像的宽高比为16：9，所以本发明的HMD投影显示光学系统中，人眼的的水平视场角与垂直视场角的正切比值应为16：9。

在一实施例中，人眼到半反半透棱镜1的距离(入瞳距离)为15mm，设计思路如下：考虑到人眼睫毛的长度，入瞳距离应大于等于6mm；考虑到戴眼镜人群，入瞳距离应小于等于20mm，但随着距离的增大，光学系统的整体结构就会增大，综合考虑，入瞳距离设计为15mm。

对于Lcos的设计，在一实施例中，Lcos的像素为640×360，有效尺寸为8.448×4.752mm，对角线尺寸约为9.8mm。面光源产生的平行光经PBS棱镜后透过P光，P光之后进入Lcos，经过Lcos调制之后出射S光的图像，S光的图像进入PBS棱镜后反射，进入HMD投影显示光学系统，形成光路路径。

在一实施例中，为了同时满足体积小及成像质量高的要求，人眼到Lcos的像面的光路总长度小于60mm，光学元件部分总长度小于40mm。为了使用者能够方便的佩戴，并在佩戴后不会产生很重的感觉，本发明的HMD投影显示光学系统缩小了光学系统的体积，减轻光学系统的重量。

本发明的HMD投影显示光学系统需要设计入瞳人眼孔径，在一实施例中，需要根据物体的亮暗，瞳孔直径可自动变化(2～8mm)，以调节进入人眼的光能，从光学系统结构上考虑，入瞳越小则结构越小；从能量供给考虑，入瞳越大，照明光源的亮度越小，综合考虑，入瞳人眼孔径的设计为5mm。

本发明的HMD投影显示光学系统需要像差校正：先校正没有加入棱镜时像差，校正之后加入棱镜像差变化不大。主要像差有球差、彗差、象散、场曲、畸变。利用胶合棱镜组校正像差。

Lcos产生的图像的波长范围在可见光波段，约为400至700nm，本发明实施例中抽样采用光学中的F、C、D光，即波长分别为486nm、588nm、656nm的可见光进行设计分析。

如图3A～5分别给出了本发明的HMD投影显示光学系统的像差特性曲线。从图3A～图3E可知，垂轴像差在全部视场内均小于20um。根据图4可知，最大畸变为1.4％，最大场曲为0.16mm。从图5(横坐标为垂轴色差大小，纵坐标为视场大小)可知，垂轴色差小于16um，这表明本发明的HMD投影显示光学系统的像差特性是满足要求的。

图6给出了本发明的HMD投影显示光学系统的中心视场和边缘视场的调制传递函数(MTF)曲线。可知中心视场和边缘视场在30lp/mm空间频率处的MTF均大于0.3。从图7可以看出本系统的相对畸变小于1.4％。根据图8A～图8E(点列图)可知，在全部视场内，本发明的HMD投影显示光学系统的均方根弥散斑的最大半径为9.8um。本发明的HMD投影显示光学系统的像差基本都得到了控制，光学成像质量较高。

本发明实施例的有益效果在于：

在背景技术中揭示的第一种传统机构的基础上进行改进，提供了反射、折衍混合式HMD投影显示光学系统。目前，美国谷歌公司和日本索尼公司采用的HMD投影光学系统的玻璃厚度都在10mm以上，本发明中的设备厚度只有9mm，采用了不同于谷歌的光路传播原理，使结构更加简单紧凑。

另外，本发明的HMD投影显示光学系统简化了光路传播，缩小了光学系统尺寸及体积，减小了重量体积，光学成像质量高，加工成本低。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种HMD投影显示光学系统，其特征在于，由物测至人眼侧，所述的HMD投影显示光学系统包括：Lcos、PBS棱镜、第一棱镜及第二棱镜；所述第二棱镜为凸面棱镜，一面为凸球面，与所述凸球面的相对的斜面上涂有半反半透膜；所述第二棱镜通过所述半反半透膜与所述第一棱镜的斜面胶合；

一面光源产生的光透过所述的PBS棱镜后照射所述Lcos，产生图像，所述图像的光依次经过所述PBS棱镜的反射、所述第一棱镜的透射、所述凸球面的反射及所述半反半透膜的反射进入人眼；

位于所述第一棱镜上方的外界景象透过所述第一棱镜及第二棱镜进入所述人眼。

2.根据权利要求1所述的HMD投影显示光学系统，其特征在于，所述PBS棱镜由两块三棱镜胶合而成，当所述图像的照射在所述PBS棱镜上时，在两块所述三棱镜的胶合面上发生反射。

3.根据权利要求1所述的HMD投影显示光学系统，其特征在于，所述人眼的水平视场角为±10°，垂直视场角为±8.7°，所述水平视场角与所述垂直视场角的正切比值应为16：9。

4.根据权利要求1所述的HMD投影显示光学系统，其特征在于，所述人眼到所述第二棱镜为15mm。

5.根据权利要求2所述的HMD投影显示光学系统，其特征在于，所述第二棱镜与所述第一棱镜胶合后形成的胶合件偏心小于等于10′；所述第一棱镜及所述第二棱镜的第一平行差为5′，第二平行差为10′；所述第二棱镜与所述第一棱镜的厚度为9mm；所述第二棱镜与所述第一棱镜的斜面的倾角为45°。

6.根据权利要求1所述的HMD投影显示光学系统，其特征在于，所述Lcos的像素为640×360，有效尺寸为8.448×4.752mm，对角线尺寸约为9.8mm。

7.根据权利要求1所述的HMD投影显示光学系统，其特征在于，所述第一棱镜为六面棱镜，除所述第一棱镜的斜面外，其余四个面均与底面相互垂直；所述半反半透膜的反射透射比为1:1、1:2或2:1；所述凸球面为非球面、二次曲面、自由曲面或球面中的一种。

8.根据权利要求1所述的HMD投影显示光学系统，其特征在于，所述面光源产生的平行光经所述PBS棱镜后透过P光进入所述Lcos，经过所述Lcos调制之后出射S光的图像，再次进入所述PBS棱镜后反射。

9.根据权利要求1所述的HMD投影显示光学系统，其特征在于，所述人眼到所述Lcos的像面的光路总长度小于60mm。

10.根据权利要求7所述的HMD投影显示光学系统，其特征在于，所述第一棱镜及第二棱镜的光圈为5，局部光圈为0.5。