CN106773048A - 一种出瞳可调的头戴显示器光学系统 - Google Patents

Abstract

一种出瞳可调的头戴显示器光学系统，由前固定组、变焦组、补偿组和后固定组组成，位置关系为：微型显示器或中间像面作为物面，依次为所述的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组，且所述的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组相对光轴呈轴对称放置，所述的前固定组和后固定组在光学系统变焦的过程中始终保持位置不变，所述的变焦组和补偿组在光学系统变焦的过程中按照各自的曲线沿光轴移动。所述的变焦组和补偿组在移动过程中保持光学系统的前焦平面和后焦平面固定，使光学系统的前焦平面和物面重合，光学系统的后焦平面和出瞳重合。本发明具有结构简单、光能利用率高和成像质量高等特点，可实现出瞳扩展和智能调节。

Description

一种出瞳可调的头戴显示器光学系统

技术领域

本发明涉及头戴显示器。特别是一种出瞳可调的头戴显示器光学系统。

背景技术

一个典型的头戴显示器(以下简称为HMD)由微型显示器和光学系统两部分组成。HMD作为一种目视光学系统，其光学系统的出瞳与人眼瞳孔重合。为了与人眼视觉有效地配合以达到最佳的显示效果并实现对入射光能的有效利用，HMD的设计必须充分考虑微型显示器的亮度、光学系统的视场大小、出瞳参数以及成像质量。其中出瞳参数作为光学系统的重要设计参数之一，其主要包括出瞳直径、出瞳距离以及出瞳间距。在满足出瞳间距和出瞳距离与人眼瞳孔严格匹配的前提下，光学系统出瞳直径设计值比人眼瞳孔直径大很多。这主要是考虑到眼睛的亮度调节机制，并为了避免人眼的转动使瞳孔与系统出瞳失配过大造成渐晕或像面丢失。通常情况下，人眼瞳孔直径为2.5～4mm，穿透式HMD的出瞳直径设计值为10mm～15mm，沉浸式HMD考虑到人眼的转动范围较小，其出瞳直径设计值为4mm～6mm。

为了增大光学系统的出瞳直径，并同时保证HMD的高亮度、大视场、高分辨率显示以及结构的轻便易携带，HMD采用出瞳扩展技术来解决这一问题。目前基于出瞳扩展技术的HMD主要有视网膜扫描显示器(简称为RSD)和平板光波导头戴显示器。RSD的出瞳扩展原理图如图1所示，RSD由光源L、扫描镜M和光学系统S组成。由于RSD采用的光源发散角比较小，为了充分利用光源的发光角度，RSD的光学系统与传统的目镜不同，设计光路为物方远心光路。因此光学系统必然满足拉赫不变量的约束关系，为了增大RSD的出瞳P的直径，必须增大光学系统的物方数值孔径。RSD通过在扫描镜M和光学系统S之间放置出瞳扩展器EEP，其位置与中间像面I完全重合，由此增大光源通过出瞳扩展器EEP的出射角度从而增大RSD的出瞳直径。目前在RSD中经常用到的出瞳扩展器有光纤阵列面板、衍射光学元件、微透镜阵列等具有固定周期结构的器件。先技术[1](参见Tapani levola等.Stereoscopic exitpupil expander display.US 2010/0231693)提出了一种在光学衬底上使用输入耦合、中间体和输出耦合多个衍射光学元件并合理设置各元件的周期线角度的RSD扩展出瞳方法。先技术[2](参见Hakan Urey,Karlton.Microlens-array-based exit-pupil expanderfor full-color displays.Applied Optics,Vol.44No.23,August 2005)给出了微透镜阵列的出瞳扩展理论，在RSD中采用双排微透镜阵列作为出瞳扩展器并分析了微透镜阵列的对准以及不同的加工方法对出瞳均匀性的影响。先技术[3](参见曾飞，张新.全息波导头盔显示技术.中国光学.Vol.7No.5,2014)综述了在平板光波导头戴显示器通过采用全息波导和衍射光栅组合或采用半透膜阵列波导实现扩展出瞳的方法和技术。

以上技术存在的缺点主要有：

1)衍射光学元件或微透镜阵列的加工难度大，加工工艺复杂，成本高；

2)由衍射作用引起的杂散光和色散很难通过光学系统得以矫正，降低了HMD的成像质量；

3)由加工工艺引起的面形误差以及各衍射级次之间的干涉，降低了HMD出瞳面的照度均匀性；

4)衍射光栅的衍射效率影响HMD的光能利用率，降低了HMD出瞳面的亮度；

5)出瞳扩展器的使用增大了HMD的装配难度，使其结构复杂；

6)HMD的出瞳扩展器只能将出瞳扩展到固定的数值，无法实现出瞳的任意调节。为了实现不同的出瞳值，HMD必须切换不同的出瞳扩展器。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种出瞳可调的头戴显示器光学系统。该光学系统的设计光路为物方远心光路，具有结构简单、光能利用率高和成像质量高等特点，可在微型显示器和出瞳位置固定的前提下，采用机械变焦法实现焦距的连续可调，从而实现对出瞳直径的连续可调。通过采用该光学系统，头戴显示器光学系统不用专门的出瞳扩展器件便可实现出瞳扩展，并根据HMD使用环境的不同实现对出瞳的智能调节。

本发明的技术解决方案如下：

一种出瞳可调的头戴显示器光学系统，其特点在于该光学系统由前固定组、变焦组、补偿组和后固定组组成，其位置关系为：微型显示器或中间像面作为物面，依次为所述的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组，且所述的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组相对光轴呈轴对称放置，所述的前固定组和后固定组在光学系统变焦的过程中始终保持位置不变，所述的变焦组和补偿组在光学系统变焦的过程中按照各自的曲线沿光轴移动。所述的变焦组和补偿组在移动过程中保持光学系统的前焦平面和后焦平面固定，使光学系统的前焦平面和物面重合，光学系统的后焦平面和出瞳重合。

所述的前固定组为正透镜组，以微型显示器或其中间像面作为光学系统的物面，其像面与后焦平面重合，所述的前固定组采用正负透镜组合的胶合透镜，正光焦度透镜的材料为冕牌玻璃，负光焦度透镜材料为火石玻璃，采用具有折射率差异的透镜组校正多波长引起的色差，所述的前固定组中使用的透镜前后表面均为球面并镀有抗反膜AR。

所述的变焦组为负透镜组，各透镜安装在机械结构上并通过凸轮控制，所述的变焦组中使用的透镜前后表面均为球面并镀有抗反膜AR。

所述的补偿组为正透镜组，所述的补偿组的各透镜安装在机械结构上并通过凸轮控制，所述的补偿组中使用的透镜前后表面均为球面并镀有抗反膜AR。

所述的后固定组为负透镜组，其物面与前焦平面重合，出瞳与人眼瞳孔位置重合，所述的后固定组中使用的透镜前后表面均为球面并镀有抗反膜AR。

与先技术相比，本发明能获得的有益效果如下：

1.该光学系统在保证微型显示器和出瞳位置固定的前提下，通过移动变焦组和补偿组连续增大HMD的出瞳直径，即HMD不需要加入出瞳扩展器便可实现对出瞳的扩展，从而避免了HMD整体结构的变化，降低了其加工装配难度；

2.该光学系统可以实现焦距的连续可调，可使出瞳直径在一定范围内连续可调，因此，该光学系统可根据HMD使用环境的不同实现对出瞳的智能调节。

3.该光学系统的设计光路为物方远心光路，可以充分利用微显示器的发散角，在人眼瞳孔处形成均匀性照度分布。另外，光学系统采用的透镜材料均为玻璃，具有高透过率，可以提高了HMD的光能利用率；

4.该光学系统的设计光路在保证成像范围大小一定的前提下，当焦距为最大值时可减小入射到人眼瞳孔的视场，从而降低了光学系统的畸变，提高了HMD的成像质量；

5.该光学系统在变焦过程中，其前后焦平面是固定的，HMD的入瞳始终位于无穷远处，增大了HMD的观察范围；

附图说明

图1视网膜扫描显示器的出瞳扩展原理图

图2本发明出瞳可调的头戴显示器光学系统原理图

图3本发明出瞳可调的头戴显示器光学系统实施例在不同设计参数时的光路图,其中(a)为设计参数焦距f＝20mm出瞳直径D＝2mm的设计光路图；(b)为设计参数焦距f＝60mm出瞳直径D＝6mm的设计光路图；(c)为设计参数焦距f＝100mm出瞳直径D＝10mm的设计光路图。

图4本发明实施例的像差曲线，其中(a)为设计参数焦距f＝20mm出瞳直径D＝2mm的像差曲线；(b)为设计参数焦距f＝60mm出瞳直径D＝6mm的像差曲线；(c)为设计参数焦距f＝100mm出瞳直径D＝10mm的像差曲线。

图5本发明实施例的弥散斑，其中(a)为设计参数焦距f＝20mm出瞳直径D＝2mm的弥散斑；(b)为设计参数焦距f＝60mm出瞳直径D＝6mm的弥散斑；(c)为设计参数焦距f＝100mm出瞳直径D＝10mm的弥散斑。

图6本发明实施例的传递函数曲线，其中(a)为设计参数焦距f＝20mm出瞳直径D＝2mm的传递函数曲线；(b)为设计参数焦距f＝60mm出瞳直径D＝6mm的传递函数曲线；(c)为设计参数焦距f＝100mm出瞳直径D＝10mm的传递函数曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图详细说明本发明。

本发明出瞳可调的头戴显示器光学系统如图2所示。由图可见，本发明出瞳可调的头戴显示器光学系统，由前固定组L1、变焦组L2、补偿组L3和后固定组L4组成，其位置关系为：微型显示器或中间像面作为物面，依次为所述的前固定组L1、变焦组L2、补偿组L3和后固定组L4，且所述的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组相对光轴呈轴对称放置，所述的前固定组和后固定组在光学系统变焦的过程中始终保持位置不变，所述的变焦组和补偿组在光学系统变焦的过程中按照各自的曲线沿光轴移动。所述的变焦组和补偿组在移动过程中保持光学系统的前焦平面和后焦平面固定，使光学系统的前焦平面和物面重合，光学系统的后焦平面和出瞳重合。

所述的前固定组L1为正透镜组，以微型显示器或其中间像面作为光学系统的物面，其像面与后焦平面重合，即物面上不同视场的主光线在物空间相互平行。具体地，所述的前固定组L1采用正负透镜组合的胶合透镜，以校正光学系统的球差。其中，正光焦度透镜的材料为冕牌玻璃，负光焦度透镜材料为火石玻璃，通过采用具有折射率差异的透镜组可校正多波长引起的色差。所述的前固定组L1中使用的透镜前后表面均为球面并镀有抗反膜AR。

所述的变焦组L2为负透镜组，其主要作用是实现光学系统的焦距连续可变，改变光学系统的出瞳直径。具体地，所述的变焦组L2由一系列透镜组成，各透镜安装在机械结构上并通过凸轮控制，沿着光轴向远离物面的方向移动，使焦距连续变大，即连续增大出瞳的直径。所述的变焦组L2中使用的透镜前后表面均为球面并镀有抗反膜AR。

所述的补偿组L3为正透镜组，用于补偿所述的变焦组L2在移动过程中引起的像面移动，使像面固定到后固定组L4要求的物面上，同时补偿前固定组L1和变焦组L2引起的像差。具体地，所述的补偿组L3由一系列透镜组成，各透镜安装在机械结构上并通过凸轮控制，其移动方向与所述的变焦组L2移动方向相同以免引起碰撞。所述的补偿组L3中使用的透镜前后表面均为球面并镀有抗反膜AR。

所述的后固定组L4为负透镜组，其物面与前焦平面重合，出瞳与人眼瞳孔位置重合。其主要作用是使像差与所述的前固定组L1、变焦组L2和补偿组L3相匹配，平衡整个光学系统的像差，并保证光学系统的物面经过所述的前固定组L1、变焦组L2和补偿组L3后,在出瞳处始终形成均匀照度分布。所述的后固定组L4中使用的透镜前后表面均为球面并镀有抗反膜AR。

所述的变焦组L2和补偿组L3在焦距变化过程中，透镜移动的位置是一一对应的，两个透镜组的移动必须用复杂的凸轮来控制。

所述的变焦组L2和补偿组L3的透镜移动范围不超过整个光学系统长度的15％，可实现出瞳直径连续扩展5倍，用于移动透镜的机械结构简单，容易实现。

所述的变焦组L2和补偿组L3在透镜移动过程中，光学系统的前焦平面和后焦平面始终保持不变，实现物方远心光路并以均匀照度照明人眼瞳孔。

本发明出瞳可调的头戴显示器光学系统的工作过程：

微型显示器传递的图形或经过扫描机构形成的中间像，经过具有正光焦度的前固定组L1，成像于其后焦平面上，该像通过变焦组L2和补偿组L3后再次成像。在移动变焦组L2和补偿组L3的透镜过程中，该像面位置始终与后固定组L4的前焦平面重合，而像面上各视场点的数值孔径随着焦距的改变而改变，由于后固定组L4的焦距不变，从而实现光学系统的出瞳直径连续可调。

本发明实施例的工作波段为可见光波段，中心波长λ＝587.56nm，选择微型显示器的图像分辨率为800×600pixels，像素尺寸为12.6um，光学系统的最大视场角为20°×28°，F/#为12.5，光学系统的焦距变化范围20mm～100mm，因此，其出瞳直径可实现从2mm扩展到10mm，并随着焦距的变化连续可调。本实施例的具体结构参数为：

该实施例的光学设计光路图如图3所示，其中

(a)设计参数焦距f＝20mm出瞳直径D＝2mm的设计光路图；

(b)设计参数焦距f＝60mm出瞳直径D＝6mm的设计光路图；

(c)设计参数焦距f＝100mm出瞳直径D＝10mm的设计光路图。

实施例采用透镜表面均为球面，目前光学系统中自由曲面面形、非球面面形的应用已经足够成熟，可对现在的设计结果进一步简化。

最后，利用Gullstrand人眼模型模拟真实人眼，评价该实施例在不同焦距时在人眼视网膜上的成像质量。图4为本发明实施例结合人眼模型的成像光学系统的像差曲线。其中：

(a)设计参数焦距f＝20mm出瞳直径D＝2mm时成像光学系统的像差曲线；

(b)设计参数焦距f＝60mm出瞳直径D＝6mm时成像光学系统的像差曲线；

(c)设计参数焦距f＝100mm出瞳直径D＝10mm时成像光学系统的像差曲线。

从图中可以看出，实施例焦距变化范围内，成像光学系统焦面偏移在弧矢与子午面上都小于10um，全视场范围内的畸变小于3.25％。

图5为本发明实施例结合人眼模型的成像光学系统的弥散斑。其中：

(a)设计参数焦距f＝20mm出瞳直径D＝2mm时成像光学系统的弥散斑；

(b)设计参数焦距f＝60mm出瞳直径D＝6mm时成像光学系统的弥散斑；

(c)设计参数焦距f＝100mm出瞳直径D＝10mm时成像光学系统的弥散斑。

从图中可以看出，实施例焦距变化范围内，成像光学系统的弥散斑RMS值小于10um。

图6为本发明实施例结合人眼模型的成像光学系统的传递函数。其中:

(a)设计参数焦距f＝20mm出瞳直径D＝2mm时成像光学系统的传递函数；

(b)设计参数焦距f＝60mm出瞳直径D＝6mm时成像光学系统的传递函数；

(c)设计参数焦距f＝100mm出瞳直径D＝10mm时成像光学系统的传递函数。

从图中可以看出，实施例焦距变化范围内，成像光学系统的传递函数在线性分辨率50lp/mm时大于0.66。因此，本发明实施例可以满足头戴显示器光学系统的要求。

实验表明，本发明出瞳可调的头戴显示器光学系统具有结构简单、光能利用率高和成像质量高等特点，可在微型显示器和出瞳位置固定的前提下，采用机械变焦的方法实现出瞳直径的连续可调。通过采用该光学系统，头戴显示器光学系统不用专门的出瞳扩展器件便可实现出瞳扩展，并根据HMD使用环境的不同实现对出瞳的智能调节。

本发明中所述的只是本发明的一种具体实施例，仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种出瞳可调的头戴显示器光学系统，其特征在于该光学系统由前固定组、变焦组、补偿组和后固定组组成，其位置关系为：微型显示器或中间像面作为物面，依次为所述的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组，且所述的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组相对光轴呈轴对称放置，所述的前固定组和后固定组在光学系统变焦的过程中始终保持位置不变，所述的变焦组和补偿组在光学系统变焦的过程中按照各自的曲线沿光轴移动。所述的变焦组和补偿组在移动过程中保持光学系统的前焦平面和后焦平面固定，使光学系统的前焦平面和物面重合，光学系统的后焦平面和出瞳重合。

2.根据权利要求1所述的出瞳可调的头戴显示器光学系统，其特征在于所述的前固定组为正透镜组，以微型显示器或其中间像面作为光学系统的物面，其像面与后焦平面重合，所述的前固定组采用正负透镜组合的胶合透镜，正光焦度透镜的材料为冕牌玻璃，负光焦度透镜材料为火石玻璃，采用具有折射率差异的透镜组校正多波长引起的色差，所述的前固定组中使用的透镜前后表面均为球面并镀有抗反膜AR。

3.根据权利要求1所述的出瞳可调的头戴显示器光学系统，其特征在于所述的变焦组为负透镜组，各透镜安装在机械结构上并通过凸轮控制，所述的变焦组中使用的透镜前后表面均为球面并镀有抗反膜AR。

4.根据权利要求1所述的出瞳可调的头戴显示器光学系统，其特征在于所述的补偿组为正透镜组，所述的补偿组的各透镜安装在机械结构上并通过凸轮控制，所述的补偿组中使用的透镜前后表面均为球面并镀有抗反膜AR。

5.根据权利要求1至4任一项所述的出瞳可调的头戴显示器光学系统，其特征在于所述的后固定组为负透镜组，其物面与前焦平面重合，出瞳与人眼瞳孔位置重合，所述的后固定组中使用的透镜前后表面均为球面并镀有抗反膜AR。