CN110058415A - 基于变形镜的变焦三维显示光学系统以及头盔显示器 - Google Patents

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许东来
曾武
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Abstract

本发明公开一种基于变形镜的变焦三维显示光学系统以及头盔显示器，其中，所述基于变形镜的变焦三维显示光学系统包括显示器和变形镜，所述基于变形镜的变焦三维显示光学系统具有用以人眼观看的观看位置，所述显示器和所述观看位置之间形成显示光路，所述变形镜设于所述显示光路上。本发明提供的技术方案中，所述头盔显示器的光学系统中采用所述变形镜这一主动光学元件来进行焦距调整，从而克服了现有的头盔显示中的调节效应和会聚效应差异性问题。

Description

基于变形镜的变焦三维显示光学系统以及头盔显示器
技术领域
本发明涉及三维显示设备技术领域，特别涉及一种基于变形镜的变焦三维显示光学系统以及头盔显示器。
背景技术
三维显示技术已经成为了近年来研究发明的热点领域，目前已经提出的三维显示技术有很多，比如头盔显示(HMD)技术、沉浸式投影显示技术、体显示技术和全息显示技术等。在各种三维显示技术中，头盔显示技术是目前是应用最广泛的三维显示技术。头盔显示是利用眼镜去同时分开两个具有一定视差的图像，每个眼镜接收一幅图像，这样观察者就能接收到具有视差的立体图像对，产生深度感知。
但是传统的头盔显示技术也存在一些缺陷：它只能提供部分的视觉深度暗示，而不是全部的视觉深度暗示。人眼对客观世界的深度感主要来自如下两种心理暗示：调节效应和会聚效应。调节效应是指人眼借助于纤毛体肌肉的拉伸来调节眼球晶状体的焦距，而会聚效应是指当用双眼观看物体上的一点时，两眼视轴会聚时的距离和角度。人眼在观看一个实际的三维物体时，上述两种效应同时存在且相互之间存在联动效应，一种效应的发生会引起另外一种效应的同步发生和匹配，这样人眼就处于自然观看的状态。而用头盔显示技术观看一个立体图像时，因为到达眼镜的所有光线都是从二维图像表面发出的，所有的显示像素和眼睛之间的光学距离相同。这样，为了看清楚图像，观察者必须强迫将眼球晶状体的焦距调节到一个固定值。而为了看到在不同深度的物体，观察者又必须不断改变会聚的距离和角度。这样，相对与现实三维物体，用头盔显示技术观看一个立体图像会发生调节效应和会聚效应的不同步，导致调节效应和会聚效应之间存在差异。人眼长时间处于这种不十分自然的观看状态便会感到极不舒适及非常疲劳，并且会导致视觉系统的病变。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种基于变形镜的变焦三维显示光学系统以及头盔显示器，旨在解决现有的头盔显示中的调节效应和会聚效应差异性问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于变形镜的变焦三维显示光学系统，包括显示器和变形镜，所述基于变形镜的变焦三维显示光学系统具有用以人眼观看的观看位置，所述显示器和所述观看位置之间形成显示光路，所述变形镜设于所述显示光路上。
可选地，所述变形镜和所述观看位置均呈朝向所述显示器的显示面设置，所述变形镜和所述显示器呈正对设置，所述观看位置位于所述显示器的一侧；
所述显示器和所述变形镜之间且位于所述显示光路上设有前侧镜，所述变形镜和所述观看位置之间且位于所述显示光路上设有后侧镜。
可选地，所述前侧镜包括凸透镜和第一半透半反镜，所述凸透镜与所述显示器相对，所述第一半透半反镜位于所述凸透镜和所述变形镜之间；
所述凸透镜和所述第一半透半反镜的透光面相对，所述变形镜和所述后侧镜的入光面均与所述第一半透半反镜的反光面相对，使得所述显示器的发射光穿过所述所述凸透镜和所述第一半透半反镜后，再经所述变形镜和所述第一半透半反镜的反光面的反射，而射向所述后侧镜的入光面。
可选地，所述后侧镜包括第二半透半反镜和球面镜，所述第二半透半反镜的透光面与所述前侧镜的出光面相对，所述观看位置和所述球面镜均与所述第二半透半反镜的反光面相对，使得自所述前侧镜射出的光穿过所述第二半透半反镜后，再经所述球面镜和所述所述第二半透半反镜的反光面的反射，而射向所述观看位置。
可选地，所述第一半透半反镜和所述第二半透半反镜对应呈45°倾斜设置，所述第一半透半反镜的反光面和所述第二半透半反镜的透光面相对。
可选地，所述显示器为微显示器。
可选地，所述变形镜包括：
基板，所述基板的一侧面设有电极；以及，
硅膜，设于所述基板设有所述电极的一侧面，所述硅膜背向所述基板的一侧面形成所述变形镜的镜面；
其中，所述硅膜对应所述基板设有所述电极的区域形成容纳腔，所述容纳腔的底壁对应所述电极凸设有台柱。
可选地，所述基板为PCB板或耐热玻璃基板。
可选地，所述台柱和所述电极一一对应设有多个，且呈阵列布置。
本发明还提供了一种头盔显示器，包括基于变形镜的变焦三维显示光学系统，所述基于变形镜的变焦三维显示光学系统包括显示器和变形镜，所述基于变形镜的变焦三维显示光学系统具有用以人眼观看的观看位置，所述显示器和所述观看位置之间形成显示光路，所述变形镜设于所述显示光路上。
本发明提供的技术方案中，所述头盔显示器的光学系统中采用所述变形镜这一主动光学元件来进行焦距调整，从而克服了现有的头盔显示中的调节效应和会聚效应差异性问题。
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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于变形镜的变焦三维显示光学系统的一实施例中光学部分的结构示意图；
图2为图1中变形镜的结构示意图。
附图标号说明：
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例，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作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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种头盔显示器，包括基于变形镜的变焦三维显示光学系统，图1和图2为本发明提供的基于变形镜的变焦三维显示光学系统的一实施例。
具体地，请参阅图1，在本实施例中，所述基于变形镜的变焦三维显示光学系统100包括显示器1和变形镜2，所述基于变形镜的变焦三维显示光学系统100具有用以人眼观看的观看位置3，所述显示器1和所述观看位置3之间形成显示光路，所述变形镜2设于所述显示光路上。
本发明提供的技术方案中，所述头盔显示器的光学系统中采用所述变形镜2这一主动光学元件来进行焦距调整，从而克服了现有的头盔显示中的调节效应和会聚效应差异性问题。
所述显示器1和所述观看位置3之间形成显示光路，具体地，请参阅图1，在本实施例中，所述变形镜2和所述观看位置3均呈朝向所述显示器1的显示面设置，所述变形镜2和所述显示器1呈正对设置，所述观看位置3位于所述显示器1的一侧；所述显示器1和所述变形镜2之间且位于所述显示光路上设有前侧镜，所述变形镜2和所述观看位置3之间且位于所述显示光路上设有后侧镜，这样所述头盔显示器的光学系统的结构较为简单，因为所述观看位置3位于所述显示器1的一侧，这样有利于在所述显示器1和所述观看位置3之间设置光学元件。
所述显示器1和所述变形镜2之间设有所述前侧镜，对于所述前侧镜的设置方式可以不做特殊限定，具体地，请参阅图1，在本实施例中，所述前侧镜包括凸透镜4和第一半透半反镜5，所述凸透镜4与所述显示器1相对，所述第一半透半反镜5位于所述凸透镜4和所述变形镜2之间；所述凸透镜4和所述第一半透半反镜5的透光面相对，所述变形镜2和所述后侧镜的入光面均与所述第一半透半反镜5的反光面相对，使得所述显示器1的发射光穿过所述所述凸透镜4和所述第一半透半反镜5后，再经所述变形镜2和所述第一半透半反镜5的反光面的反射，而射向所述后侧镜的入光面，这样所述前侧镜的设置方式较为简单。
同理，对于所述后侧镜的设置方式也可以不做特殊限定，具体地，请参阅图1，在本实施例中，所述后侧镜包括第二半透半反镜6和球面镜7，所述第二半透半反镜6的透光面与所述前侧镜的出光面相对，所述观看位置3和所述球面镜7均与所述第二半透半反镜6的反光面相对，使得自所述前侧镜射出的光穿过所述第二半透半反镜6后，再经所述球面镜7和所述所述第二半透半反镜6的反光面的反射，而射向所述观看位置3，这样所述后侧镜的设置方式较为简单。
请参阅图1，在本实施例，所述第一半透半反镜5和所述第二半透半反镜6对应呈45°倾斜设置，所述第一半透半反镜5的反光面和所述第二半透半反镜6的透光面相对，这样有利于将光学系统设置得更为紧凑。
所述头盔显示器的光学系统中采用所述变形镜2这一主动光学元件来进行焦距调整，所述变形镜2可以为连续表面式变形镜或者分离式变形镜，本实施例中，所述变形镜2可以为连续表面式变形镜，因为所述变形镜2的镜面主体是由氮化硅构成的，而LPCVD沉积的氮化硅内往往存在很大的内应力，从而会产生较大的静态畸变，同时当驱动电压过大时，镜面很容易破裂。故为了避免上述问题，请参阅图2，在本实施例中，所述变形镜2包括基板21以及硅膜23，所述基板21所述基板21的一侧面设有电极22(所述基板21可以为PCB板或耐热玻璃基板等)，所述硅膜23设于所述基板21设有所述电极22的一侧面，所述硅膜23背向所述基板21的一侧面形成所述变形镜2的镜面，其中，所述硅膜23对应所述基板21设有所述电极22的区域形成容纳腔24，所述容纳腔24的底壁对应所述电极22凸设有台柱25(在本实施例中，所述台柱25和所述电极22一一对应设有多个，且呈阵列布置)，这样当在所述台柱25与所述电极22间施加电压时，产生的静电力就会拉动所述台柱25向下运动，从而带动相应的镜面部分发生变形，所述台柱25和所述电极22接触，从而起到支撑的作用。所述变形镜2的镜面是由所述硅膜23的一个侧面所构成的，它充分利用了整个所述硅膜23机械性能稳定的特点，通过化学机械抛光(CMP)处理，获得具有理想平整度的镜面质量。
以下将结合本实施例中所述基于变形镜的变焦三维显示光学系统100的具体结构，介绍所述基于变形镜的变焦三维显示光学系统100的工作原理：当变形镜2没有加电压时，变形镜2起平面镜作用，其焦点为无穷远；而当给变形镜2加上电压时，变形镜2发生变形，起凹面镜作用，其焦点位于无穷远和变形镜2中间的某个位置。显示器1发出的光经过凸透镜4、第一半透半反镜5到达变形镜2的表面，然后反射回来经过第一半透半反镜5、第二半透半反镜6和球面镜7，然后从球面镜7反射回来，经第二半透半反镜6反射后进入人眼。这样，人眼就会看到两幅图像：一幅是显示器1的二维图像在人眼中所形成的虚像(图1中的虚像I)，另一幅则是人眼透过第二半透半反镜6看到的真实世界的图像。这种将真实的环境图像和虚拟的物体图像实时地叠加到了同一个画面就是所谓的增强现实。在图1中，从人眼到虚像平面的距离d就是所谓调节效应。通过连续改变变形镜2的电压，就可以对整个光学系统的焦平面进行调节，从而改变虚像I的像平面的位置，进而改变人眼到虚像平面的距离d，实现对显示器1二维图像的调节效应补偿。
在本实施例中，所述头盔显示器采用基于MEMS技术加工的微变形镜和微显示器(在本实施例中，所述显示器1为微显示器)搭建具有调节效应补偿的三维显示系统。与采用液体透镜的三维显示系统相比，这种光学系统采用微变形镜这一主动光学元件来进行焦距调整，克服了液体透镜变化速率很低的问题，大大提高了系统的速度；同时与视网膜扫描三维显示系统相比，这种光学系统采用微显示器来产生像素，克服了视网膜扫描三维显示系统实现要求激光光束和主动光学元件变化速度要达到MHz以上的问题，同时又具有和现有的二维显示平面系统兼容的优点。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于变形镜的变焦三维显示光学系统，其特征在于，包括显示器和变形镜，所述基于变形镜的变焦三维显示光学系统具有用以人眼观看的观看位置，所述显示器和所述观看位置之间形成显示光路，所述变形镜设于所述显示光路上。
2.如权利要求1所述的基于变形镜的变焦三维显示光学系统，其特征在于，所述变形镜和所述观看位置均呈朝向所述显示器的显示面设置，所述变形镜和所述显示器呈正对设置，所述观看位置位于所述显示器的一侧；
所述显示器和所述变形镜之间且位于所述显示光路上设有前侧镜，所述变形镜和所述观看位置之间且位于所述显示光路上设有后侧镜。
3.如权利要求2所述的基于变形镜的变焦三维显示光学系统，其特征在于，所述前侧镜包括凸透镜和第一半透半反镜，所述凸透镜与所述显示器相对，所述第一半透半反镜位于所述凸透镜和所述变形镜之间；
所述凸透镜和所述第一半透半反镜的透光面相对，所述变形镜和所述后侧镜的入光面均与所述第一半透半反镜的反光面相对，使得所述显示器的发射光穿过所述所述凸透镜和所述第一半透半反镜后，再经所述变形镜和所述第一半透半反镜的反光面的反射，而射向所述后侧镜的入光面。
4.如权利要求2或3所述的基于变形镜的变焦三维显示光学系统，其特征在于，所述后侧镜包括第二半透半反镜和球面镜，所述第二半透半反镜的透光面与所述前侧镜的出光面相对，所述观看位置和所述球面镜均与所述第二半透半反镜的反光面相对，使得自所述前侧镜射出的光穿过所述第二半透半反镜后，再经所述球面镜和所述所述第二半透半反镜的反光面的反射，而射向所述观看位置。
5.如权利要求4所述的基于变形镜的变焦三维显示光学系统，其特征在于，所述第一半透半反镜和所述第二半透半反镜对应呈45°倾斜设置，所述第一半透半反镜的反光面和所述第二半透半反镜的透光面相对。
6.如权利要求1所述的基于变形镜的变焦三维显示光学系统，其特征在于，所述显示器为微显示器。
7.如权利要求1所述的基于变形镜的变焦三维显示光学系统，其特征在于，所述变形镜包括：
基板，所述基板的一侧面设有电极；以及，
硅膜，设于所述基板设有所述电极的一侧面，所述硅膜背向所述基板的一侧面形成所述变形镜的镜面；
其中，所述硅膜对应所述基板设有所述电极的区域形成容纳腔，所述容纳腔的底壁对应所述电极凸设有台柱。
8.如权利要求7所述的基于变形镜的变焦三维显示光学系统，其特征在于，所述基板为PCB板或耐热玻璃基板。
9.如权利要求7所述的基于变形镜的变焦三维显示光学系统，其特征在于，所述台柱和所述电极一一对应设有多个，且呈阵列布置。
10.一种头盔显示器，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的基于变形镜的变焦三维显示光学系统。
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