CN1262743A - 头戴显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及头戴显示器,它包括两个分开的光通道公用的图象显示系统。该头戴显示器还包括光学系统,用来把图象投射到头戴显示器的左和右出射光孔中。每一个光通道配备有成象光学部件。这种光学通道的成象光学部件包括凹形反射镜和半透明反射镜,或者凹形反射镜、半透明反射镜和折叠式反射镜。

Description

头戴显示器

本发明涉及头戴显示器，它包括：两个分开的光通道公用的图象显示系统；以及光学系统，用来通过第一和第二光通道把在图象显示系统中形成的图象投射到头戴显示器的右和左出射光孔中，每一个光通道包括成象光学部件，光学系统包括第一凹形反射镜(hollowmirror)和设置在图象显示系统和第一凹形反射镜之间的分束器。

从国际专利申请WO 96/05532知道开篇中所述类型的头戴显示器。在该申请中所描述的头戴显示器中，经由两个光通道，借助向场透镜、凹形反射镜和两个交叉的反射表面，把液晶图象显示板成象在头戴显示器的左和右出射光孔上，所述两个光通道各自包括折叠式反射镜和包含三个透镜的目镜。假定头戴显示器的出射光孔与用户的瞳孔重合。最后，把图象成象在用户双眼的视网膜上。

该申请中所描述的头戴显示器的缺点是：大量的透镜和反射镜使得这种设计比较昂贵。可以用便宜的材料，例如合成树脂材料来代替玻璃。但是，这具有以下缺点：由此获得的图象的质量显著地下降。

本发明的目的是提供一种具有比较简单的设计、低的成本和轻的重量的头戴显示器。

为此目的，根据本发明的头戴显示器具有以下特征：第一光通道的成象光学部件包括第二凹形反射镜和第一剖开镜，以及第二光通道的成象光学部件包括第三凹形反射镜和第二剖开镜，在图象显示系统和分束器之间设置透镜。

这里，通过将凹形反射镜和剖开镜组合起来而获得三透镜目镜的功能。建议在图象显示板和分束器之间设置透镜，以便优化图象质量。该透镜是两个光通道公用的。所建议的头戴显示器组件是比较简单的。此外，光学部件的数目减少了。还可以省去向场透镜。这样，所述头戴显示器将具有比较轻的重量。

根据本发明的头戴显示器的另一个实施例具有以下特征：第一光通道的成象光学部件包括第二凹形反射镜和第一剖开镜，以及第二光通道的成象光学部件包括第三凹形反射镜和第二剖开镜，在每一个光通道的剖开镜和凹形反射镜之间设置折叠式反射镜。

代替公共光通道中的透镜，在每一个光通道中设置折叠式反射镜，以便优化图象质量。

根据本发明的头戴显示器的最佳实施例具有以下特征：分束器的第一剖开镜和第一光通道的第一剖开镜具有指定的共同位置，以及分束器的第二剖开镜和第二光通道的第二剖开镜具有指定的共同位置，剖开镜可以围绕自身的旋转点旋转，使得所述位置保持不变。

分束器的第一剖开镜可以同光通道的第一剖开镜、例如通过分束器的第一剖开镜把图象发送到其中的第一光通道的第一剖开镜构成规定的角度。分束器的第二剖开镜可以同光通道的第二剖开镜、例如通过分束器的第二剖开镜把图象发送到其中的第二光通道的第二剖开镜构成规定的角度。它们构成的角度可以是例如90°。在这种配置中，图象显示系统存在于各光通道之间，而剖开镜存在于分束器的相对侧。一方面，分束器的第一剖开镜和第一光通道的第一剖开镜，另一方面，分束器的第二剖开镜和第二光通道的第二剖开镜，可以是例如彼此平行的。在这种情况下，剖开镜存在于各光通道之间，而图象显示系统存在于分束器的相对侧。

如上所述，通过围绕其自身轴转动剖开镜以及保持各光通道中分束器的剖开镜的共同位置，可以使光瞳间距适合于用户。

根据本发明的头戴显示器的另一个实施例具有以下特征：图象显示系统包括反射式图象显示板；第一凹形反射镜至少是半透明的，而照明系统存在于第一凹形反射镜的远离图象显示板的一侧；以及照明系统和光通道包括偏振器，照明系统的偏振器和光通道中的偏振器正交。

使用反射式图象显示板的优点是：与透射式图象显示板中的情况相比，象素之间的“盲”空间小得多。这具有如下结果：象素被以密集得多的方式堆放，使得与透射式图象显示板相比较，相同数目的象素所需要的表面积小得多。因此，图象显示板将便宜德多。

根据本发明的头戴显示器的另一个实施例具有以下特征：头戴显示器的至少若干个光学曲面是非球面的。

从而显著地减小了诸如彗形象差、象散和场曲象差等成象误差。

下面将参考下文中所述的实施例阐明本发明的这些和其它方面，由此将明白本发明的这些和其它方面。

附图中：

图1(a)和(b)是根据本发明的头戴显示器的实施例的平面图；

图2显示反射镜组合的实施例；

图3，4和5是根据本发明的头戴显示器的一些实施例的透视图。

图1(a)是根据本发明的头戴显示器1的示意的平面图。头戴显示器1包括图象显示系统3。为简单起见，用单个图象显示板表示图象显示系统3。实际上，通常情况就是这样。图象显示板可以是反射式的或透射式的。例如，图象显示板是TN(扭曲向列)液晶图象显示板。

可以用环境光线照亮图象显示板。但是，最好使用照明系统，因为可以获得比较强的光输出，从而可以获得比较亮的图象。照明系统的位置由图象显示板的类型确定，并且将在下文中说明。

来自图象显示板3的光线入射到包括第一剖开镜7和第二剖开镜9的分束器上。两个反射镜7、9彼此构成规定的角度。例如，可以将它们正交地叠放，如图2的实施例中所示的那样。来自图象显示板的光束至少部分地穿过分束器到达凹形反射镜11，光束在凹形反射镜11上向分束器反射。分束器接着把光束对分成两个光通道13、15。图象来源于两个光通道公用的图象显示板。在每一个光通道13、15中用标号10表示的虚线区域中，形成图象显示板的放大或未放大的中间图象。中间图象的放大倍数由起成象元件作用的凹形反射镜11确定。中间图象随后在用户双眼的视网膜(未示出)上成象。光通道13、15终止于假定大致与用户的瞳孔重合的出射光孔35、37。可以借助遮光元件14、16阻挡经由分束器但未经过凹形反射镜而到达光通道的光线，因为这种光线对图象的形成没有贡献，但产生干扰光线。所述遮光元件应当具有这样的形状，使得它不阻挡这种反射的光线。实际上，这意味着在垂直平面上遮光元件与把没有用的光线输送到相关的光通道中的分束器的剖开镜是互补的。所述遮光元件将不阻挡首先经由凹形反射镜转换到图象的光线。

每一个光通道13、15包括成象光学部件。可以用各种方式实现成象光学部件。在图1(a)中所示的根据本发明的第一实施例中，每一个光通道的成象光学部件分别包括剖开镜17、19和凹形反射镜21、23。剖开镜和凹形反射镜的组合代替了通常的三透镜目镜。为了优化图象质量，建议在图象显示板3和分束器之间设置透镜18。与迄今知道的头戴显示器相比较，本申请中建议的头戴显示器轻得多、较易装配并且比较便宜。

光线中将对图象的形成有贡献并且入射在分束器上的部分将由分束器的每一个剖开镜7、9输送到光通道中。分束器的剖开镜7和光通道15的剖开镜19(分束器的剖开镜7把对图象的形成有贡献的光线输送到其中)最好基本上彼此平行。这种要求适用于剖开镜9和17。在这种配置中，凹形反射镜11存在于两个光通道13、15之间，同时，图象显示板3存在于分束器的相对侧。一方面，剖开镜7和19，另一方面，剖开镜9和17，可以构成规定的角度，例如90°的角度，而不是彼此平行，但是，图象显示板3和凹形反射镜11交换位置。后一种可能性示于图3的透视图中。

根据本发明的另一方面，建议使分束器的剖开镜和各光通道的剖开镜都能够围绕其自身轴旋转，使得剖开镜7和19的相互位置以及剖开镜9和17的相互位置得到保持。这意味着，一方面，剖开镜7和19，另一方面，剖开镜9和17，应当或者继续构成相同的角度，或者保持基本上彼此平行。由于旋转的缘故，将有可能使光瞳间距(IPD)适合于每一个用户。例如，可以在55和70mm之间改变所述IPD。剖开镜7、9、17、19可以围绕旋转点51、53、55、57旋转。旋转点55和57重合。

图1(b)中，分束器的剖开镜7、9彼此构成与图1(a)中的不同的角度。这种情况也适合于剖开镜17、19。用距离d表示IPD的一半值。不同的剖开镜的旋转导致图1(a)中的IPD不同于图1(b)中的IPD。

图1(a)和1(b)之间的另一个差别在于：图1(a)中的图象显示板是反射式的，而图1(b)中的显示板是透射式的。

图4是类似于图1(a)和1(b)中所示的实施例的透视图。图象显示板的类型在本实施例的考虑之外，因此，未示出照明系统。分束器7、9把来自图象显示板并且已经通过凹形反射镜的光线对分成两个光通道13、15。这种光线被送到剖开镜17、19，并且，在这些反射镜上，至少部分地被反射到第一光通道13中的凹形反射镜21和第二光通道15中的凹形反射镜23。在每一个凹形反射镜21、23上再次发生反射。在凹形反射镜21上反射的光线至少部分地由剖开镜17向出射光孔35输送，而在凹形反射镜23上反射的光线至少部分地由剖开镜19向出射光孔37输送。两个光通道13、15公用的透镜18确保使图象质量最佳化。

图5是根据本发明的头戴显示器的另一个实施例的透视图。在该图中，图象显示板的类型也是在考虑的范围之外。来自图象显示板3的、经由凹形反射镜11到达分束器7、9并且因此包含图象信息的光线再次被对分成两个光通道13、15。光线首先投射在第一光通道13的折叠式反射镜41上和第二光通道15的折叠式反射镜43上。折叠式反射镜41把入射光线向剖开镜17反射，而折叠式反射镜43把入射光线向剖开镜19反射。剖开镜17至少把入射光线的一部分向凹形反射镜21反射，而剖开镜19至少把入射光线的一部分向凹形反射镜23反射。凹形反射镜21再次把光线向剖开镜17反射，而凹形反射镜23再次把光线向剖开镜19反射。每一个剖开镜17、19将至少把这种入射光线的一部分向相关的出射光孔输送。在这种情况下，图4中所示的两个光通道公用的透镜18由每一个光通道中的折叠式反射镜41和43代替。

最好以非球面的形式来实现头戴显示器中光学元件的光学曲面。从而显著地减小了诸如场曲象差、彗形象差和象散等成象误差。

如上文中已经说明的，照明系统的位置由图象显示板的类型确定，而且其构成也由图象显示板的类型确定。如果使用透射式图象显示板，则照明系统25存在于图象显示板3的远离分束器7、9的一侧，如图1(b)中所示。例如，照明系统25包括光源27和聚焦透镜29。来自光源27的光线由聚焦透镜29进行平行校正，并且随后投射在图象显示板3上。例如，光源可以是发光二极管或发光二极管阵列，或气体放电后照明装置。对于彩色图象，光源提供“白”光是重要的。

如果使用反射式图象显示板，则例如以半透明反射镜的形式来实现凹形反射镜11，并且照明系统设置在凹形反射镜11的远离分束器的一侧。图1(a)示出一个实施例。例如，照明系统25可以由光源27、聚焦透镜29和偏振器31构成。来自光源27的光线由聚焦透镜29进行平行校正，并且随后被偏振器31进行线偏振，即，大约一半光线被吸收。随后，所述线偏振光通过凹形反射镜并且部分地通过反射镜组合7、9输送到图象显示板3。在由图象显示板调制和反射之后，大约一半光束被发送到光通道13中，而另一半光束被输送到光通道15中。在偏振器32之前有遮光元件14。在偏振器34之前有遮光元件16。两个偏振器32和34的定向器具有相同的取向，而偏振器31的定向器和偏振器32、34的定向器正交。结果，必须产生图象中的暗的象素的光线被偏振器32和34阻挡。来自图象显示板中那些已经被激励的象素的并且必须产生图象中的亮的象素的光线的偏振方向将被旋转。因此，所述偏振器将随灰度等级而定，全部或部分地传输这种光线。

另一种方法是，可以用反射式偏振器的形式来实现偏振器31。于是，光线中具有对图象显示板无用的偏振方向的那部分光线被向着光源反射，并且可以通过λ/4板(λ/4 plate)和反射器(未示出)恢复这部分光线。因此，λ/4板存在于光源和偏振器之间，而反射器存在于光源后面。λ/4板把由偏振器反射的线偏振光转换成圆偏振光。这种圆偏振光投射到所述反射器上，后者将使这种光线的旋转方向反向，并且反射这种光束。在从反射器上反射之后，这种光线再次到达反射式偏振器，并且将朝着图象显示板传输。

在反射式图象显示板中，光源最好是红-绿-兰发光二极管。随后用不同的彩色照亮图象显示板，而红、绿和兰色图象与这种照明同时连贯地出现在图象显示板上。

在使用反射式图象显示板的实施例中，原则上可以省去遮光元件14、16，因为偏振器仅仅传输对图象的形成有贡献的光线。实际上，由于偏振器不是理想的，所以，仍然可以提供遮光元件来优化图象的对比度。应当指出，在所述透视图中未示出遮光元件。

Claims (5)

1.一种头戴显示器，它包括：两个分开的光通道公用的图象显示系统；以及光学系统，用来通过第一和第二光通道把在图象显示系统中形成的图象投射到头戴显示器的右和左出射光孔中，每一个光通道包括成象光学部件，所述光学系统包括第一凹形反射镜和设置在所述图象显示系统和所述第一凹形反射镜之间的分束器，

其特征在于：

所述第一光通道的所述成象光学部件包括第二凹形反射镜和第一剖开镜，以及

所述第二光通道的所述成象光学部件包括第三凹形反射镜和第二剖开镜，在所述图象显示系统和所述分束器之间设置透镜。

2.一种头戴显示器，它包括：两个分开的光通道公用的图象显示系统；以及光学系统，用来通过第一和第二光通道把在图象显示系统中形成的图象投射到头戴显示器的右和左出射光孔中，每一个光通道包括成象光学部件，所述光学系统包括第一凹形反射镜和设置在所述图象显示系统和所述第一凹形反射镜之间的分束器，

其特征在于：

所述第一光通道的所述成象光学部件包括第二凹形反射镜和第一剖开镜，以及

所述第二光通道的所述成象光学部件包括第三凹形反射镜和第二剖开镜，在每一个光通道的所述剖开镜和所述凹形反射镜之间设置折叠式反射镜。

3.权利要求1或2的头戴显示器，其特征在于：

所述分束器的所述第一剖开镜和所述第一光通道的所述第一剖开镜具有指定的相互位置，以及

所述分束器的所述第二剖开镜和所述第二光通道的所述第二剖开镜具有指定的相互位置，所述剖开镜可以围绕自身的旋转点旋转，使得所述位置保持不变。

4.权利要求1、2或3的头戴显示器，其特征在于：

所述图象显示系统包括反射式图象显示板；

所述第一凹形反射镜至少是半透明的，同时，照明系统存在于所述第一凹形反射镜的远离所述图象显示板的一侧；以及

所述照明系统和每一个光通道包括偏振器，所述照明系统的所述偏振器和所述光通道中的所述偏振器正交。

5.权利要求1、2、3或4的头戴显示器，其特征在于：所述头戴显示器的至少若干个光学曲面是非球面。

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