CN1315008A

CN1315008A - 头戴式显示器

Info

Publication number: CN1315008A
Application number: CN00801152A
Authority: CN
Inventors: W·G·奥菲
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2001-09-26
Also published as: JP2003502710A; KR20010089170A; US6487021B1; EP1105766A1; WO2000079325A1

Abstract

本发明涉及一种包括图像显示装置和光学系统的头戴式显示器,所述光学系统包括凹镜和半透射元件,用来把图像显示装置形成的图像依次通过凹镜、半透射元件和头戴式显示器的出射光瞳投射在用户的视网膜上。为了改善头戴式显示器的显示图像分辨率,在图像显示装置和半透射元件之间设置第一透镜。

Description

头戴式显示器

本发明涉及设有图像显示装置和光学系统的头戴式显示器，所述光学系统包括凹镜和半透射元件，用来把图像显示装置形成的图像依次通过半透射元件、凹镜、半透射元件和头戴式显示器的出射光瞳投射在用户的视网膜上。

从日本专利申请英文摘要09090312A中知道上述类型的装置。在该文献中描述的头戴式显示器中，用液晶图像显示板形成图像，该图像用包括分光镜和凹镜的光学系统投射到头戴式显示器的出射光瞳内。在使用过程中，出射光瞳与头戴式显示器用户的眼睛瞳孔一致，于是图像便在视网膜上形成。头戴式显示器可以让用户戴上，用来，例如，显示电视或与便携式信息和通信系统、计算机游戏或计算机模拟相关的视频图像或画面。

已知的头戴式显示器具有较低的光学调制传递函数截止频率，使得例如对角线尺寸为0.5英寸的帧点阵1024×768象素的高分辫率图像显示装置的使用难以有效。

本发明的一个目的是改进光学调制传递函数。为此目的，按照本发明的装置的特征在于，头戴式显示器包括设置在图像显示装置和半透射元件之间的第一透镜，用来使光学系统中的图像显示装置产生的辐射准直。因为第一透镜使所产生的来自图像显示板的辐射准直，所以该辐射便沿着光学系统的光轴集中，使畸变得以减小，光学调制传递函数的截止频率得以提高。设置透镜的另一个好处是图像角隅的畸变得以减小。

按照本发明的头戴式显示器的一个特定的实施例，其特征在于，第一透镜具有凸面和基本上平的表面，凸面面向半透射元件。看来，采取这样的安排，光学调制传递函数进一步得到改善。

按照本发明的头戴式显示器的另一个实施例，其特征在于，光学系统包括设置在半透射元件和凹镜之间的λ/4板，而半透射元件包括依赖于偏振的分束器，用来反射在第一方向上偏振并由图像显示装置产生的辐射，并用来选择性地让在第二方向上偏振并来自凹镜和λ/4板的辐射通过。λ/4板和依赖于偏振的分束器的使用减小了背景照明并提高了图像显示装置产生的辐射的透射率。

按照本发明的头戴式显示器的另一个实施例，其特征在于，依赖于偏振的分束器包括两个被具有偏振分束层的分束表面分开的棱镜，用来反射在第一方向上偏振并由图像显示装置产生的辐射，并用来选择性地让在第二方向上偏振并来自凹镜和λ/4板的辐射通过。从H.A.Macleod出版的手册“薄膜光学滤光镜”328页33节已经知道这样的偏振分束层。这种依赖于偏振的分束层包括，例如，一叠交替地具有高的和低的折射率的光学层。利用这样的依赖于偏振的分束层，对于来自图像显示装置的辐射，透射率基本上达到100％。另外一个好处是头戴式显示器的厚度减小，其厚度由凹镜和出射光瞳的距离决定。从美国专利US 5,771,124已知在头戴式显示器中使用λ/4板和依赖于偏振的分束器。

按照本发明的的头戴式显示器的另一个实施例，其特征在于，依赖于偏振的分束器包括半透射反射镜和依赖于偏振的反射镜，用来反射在第一方向上偏振并由图像显示装置产生的辐射，并用来选择性地让在第二方向上偏振的辐射通过。这第二种类型的依赖于偏振的分束器的使用是有利的，因为它提供一种重量比包括棱镜的上述第一种类型的头戴式显示器重量轻的头戴式显示器结构。应该指出，第二种类型的头戴式显示器对来自图像显示装置的辐射的透射率比第一种类型的头戴式显示器的相应的透射率低7/8。

按照本发明的头戴式显示器的另一个实施例，其特征在于，半透射反射镜具有依赖于角度的反射层，后者入射角度大时反射率较高，而入射角度小时反射率较低。这样的层包括交替地包括光密度大的材料的子层和光密度较低的材料的子层的一叠子层，子层的厚度等于所用辐射的波长的一半。

利用这样的层可提高头戴式显示器的透射率。

按照本发明的头戴式显示器的另一个实施例，其特征在于，该头戴式显示器包括设置在半透射元件和出射光瞳之间的第二透镜，用来对从半透射元件到头戴式显示器的出射光瞳的辐射进行预聚焦。

按照本发明的的头戴式显示器的另一个实施例，其特征在于，该头戴式显示器具有至少一个具有非球面的光学元件。具有非球面的光学元件的使用减小诸如彗形象差、象散、场曲等成象误差。

本发明的这些和其他的方面从下述实施例将显而易见，并参照下述实施例加以阐述。

附图中：

图1表示按照本发明的头戴式显示器的第一实施例；

图2表示按照本发明的头戴式显示器的第二实施例；

图3表示代表光学调制传递函数的两条曲线；

图4表示按照本发明的头戴式显示器的第三实施例；

图5表示代表不同头戴式显示器的畸变的两条曲线；

图6表示分别代表未经处理的玻璃的反射率、透射率和吸收率随入射角度而变化的三条曲线；

图7表示分别代表具有依赖于角度的反射层的玻璃的反射率、透射率和吸收率随入射角度而变化的三条曲线；以及

图8表示入射角为0时分别代表具有依赖于角度的反射层的玻璃的入射辐射S偏振分量的反射率、透射率和吸收率随入波长而变化的三条曲线。

图1表示头戴式显示器100的一个实施例，它包括图像显示装置，例如，带有照明装置(未示出)的透射式液晶图像显示板110和光学系统，后者包括凹镜130和半透射元件120，例如，分光镜。光学系统通过头戴式显示器的出射光瞳150把透射式液晶图像显示板110形成的图像投射在用户眼睛的视网膜上。当头戴式显示器工作并由用户戴上时，透射式液晶图像显示板110形成的图像的辐射将入射在分光镜120上。分光镜120把一部分辐射反射在凹镜130上，后者借助分光镜120、窗口140和出射光瞳150对准在用户眼睛的视网膜(未示出)上。通过出射光瞳150的辐射穿过用户眼睛的瞳孔并在视网膜(未示出)上形成图像。到目前为止，所示头戴式显示器相当于已知的头戴式显示器。但是，这种已知的头戴式显示器难以适用于来自高分辨率的液晶图像显示板的图像的成像。

为了使用例如图像对角线为0.5英寸的1024×768象素的高分辨率液晶图像显示板，头戴式显示器要求一种具有截止频率为例如50周/mm(毫米)或更高的光学调制传递函数的光学系统。在本专利申请中，截止频率应理解为其时光学调制传递函数的值为30％的图像频率。为了改善光学调制传递函数，按照本发明，在分光镜120和液晶图像显示板110之间设置第一透镜160。这第一透镜160沿着光学系统的光轴对来自液晶图像显示板110的辐射进行准直。第一透镜160最好具有凸面161和基本上平的表面162。另外，第一透镜160的凸面161面向分光镜120。头戴式显示器最好包括用虚线示出的第二透镜170，后者保证出去的辐射预聚焦，第二透镜170可以设置在窗口140的位置上。

为了增大光输出和减小背景照明，该光学系统最好包括λ/4板和依赖于偏振的分束器，用来选择性地让在第一方向上偏振的并由液晶图像显示板产生的辐射通过。包括这样的依赖于偏振的分束器的按照本发明的头戴式显示器的第二实施例示于图2。

图2表示按照本发明的头戴式显示器的第二实施例200，它包括液晶图像显示板210、第一透镜260、凹镜230、构成分光立方镜的两个棱镜221,222，它包括依赖于偏振的分束器220和λ/4板219。当头戴式显示器工作时，在图像的第一方向上线偏振并由液晶图像显示板210产生的辐射将被第一透镜260准直，并进入第一棱镜221。第一透镜260最好具有凸面261和光学平面262。凸面261面向第一棱镜221。这个第一棱镜221的第一出口面225通过分束表面223的内部全反射对在第一方向上线偏振的辐射进行反射。这个分束表面223具有偏振分束层224，例如，一叠交替地具有高和低的折射率的光学层。从前面引述的H.A.Macleod出版的手册“薄膜光学滤光镜”第328页第33节中已经知道这种偏振分束层224。这种偏振分束层224向第一棱镜221的第一出口面225反射在第一方向上偏振的辐射。被反射的在第一方向上偏振的辐射随后从第一棱镜221出来，通过λ/4板219到达凹镜230。λ/4板219把在第一方向上偏振的辐射转换成圆偏振的辐射，例如，左旋偏振辐射。凹镜230经过λ/4板219把左旋偏振辐射反射回第一棱镜221。在凹镜上反射时，左旋偏振辐射变为右旋偏振辐射。随后，λ/4板219把右旋偏振辐射变为在第二方向上偏振的辐射，其中第二偏振方向横切第一偏振方向。分束面223上的偏振分束层224把在第二方向上偏振的辐射转到达第二棱镜222。在第二方向上偏振的辐射随后通过第二棱镜222的第二出口面226到达出射光瞳250。这样，在这种类型的头戴式显示器中，来自液晶图像显示板的辐射基本上达到100％透射。该头戴式显示器最好再包括第二透镜270，它保证出口辐射的预聚焦。

现将参照图3解释按照本发明的头戴式显示器的第二实施例的光学系统中的第一透镜260的作用。图3示出两条曲线Ⅰ,Ⅱ，代表光学调制的传递函数。在相关的曲线中，空间频率以每mm(毫米)周数在水平坐标上标出，而光学调制传递函数的数值在垂直坐标上标出。第一条曲线Ⅰ代表光学系统的第一计算机模拟的光学调制传递函数，它部分地与图2所示的头戴式显示器的光学系统相同，但没有第一透镜260。从第一曲线Ⅰ看出，光学调制传递函数的截止频率约为12周/mm。第二曲线Ⅱ代表图2所示头戴式显示器第二实施例的光学系统的第二计算机模拟的光学调制传递函数，带有按照本发明的第一透镜260。从第二曲线Ⅱ看出，这个系统的光学调制传递函数的截止频率约为50周/mm。按照本发明的带有第一透镜260的头戴式显示器的另一个优点是出射光瞳250中的图像角度上的畸变减小到约0.5％，而图2所示但没有第一透镜260的光学系统的这个畸变约为2.5％。这也可以从所述计算机模拟中看出。图5示出第三曲线Ⅲ和第四曲线Ⅳ，它们表示第一和第二计算机模拟的畸变。第三曲线Ⅲ代表光学系统的第一计算机模拟的畸变，它部分地与图2所示的头戴式显示器的光学系统相同，但是没有第一透镜260。在与第三曲线Ⅲ相关的曲线图中，水平轴以％为单位表示成像帧的畸变与无畸变理想帧的关系。到图像中心的距离在垂直轴上标出。第四曲线Ⅳ代表图2所示的按照本发明的第二实施例的带有第一透镜260的光学系统的第二计算机模拟的畸变。在与第四曲线Ⅳ相关的曲线图中，水平轴以1/10％为单位表示成像帧的畸变与无畸变理想帧的关系。到图像中心的距离在垂直轴上标出。

按照本发明的头戴式显示器的第三实施例示于图4。图4表示头戴式显示器的第三实施例400，它包括液晶图像显示板410、第一透镜460、凹镜430、第一分光镜425、依赖于偏振的反射镜423、λ/4板419和第二透镜470。在第三实施例中，偏振分束器包括第一分束镜425和依赖于偏振的反射镜423。第一分束镜425和依赖于偏振的反射镜423分别代替图2所示光学系统的第一棱镜的第一出口面225和在两个棱镜221和222之间的分束面223上的偏振分束层224。当头戴式显示器工作时，液晶图像显示板410形成的图像在第一方向上偏振的辐射将被该光学系统中的第一透镜460准直。第一透镜460最好具有凸面461和光学平面462。凸面461面向分光镜425。分光镜425把大部分辐射向依赖于偏振的反射镜423反射。依赖于偏振的反射镜423包括，例如，3M^tm提供的双亮度增强薄膜(DBEF)的反射偏振片。反射偏振片423把通过分光镜425和λ/4板419在与反射偏振片的引向器(Director)基本上垂直的第一方向上线偏振的辐射反射到凹镜430。λ/4板419把线偏振的辐射转换成圆偏振的辐射，例如，左旋圆偏振辐射。凹镜430通过λ/4板419把左旋圆偏振辐射反射回分光镜423。在凹镜上反射时，左旋圆偏振辐射被转换成右旋圆偏振辐射。λ/4板419随后又把右旋圆偏振辐射转换成在与第一次通过λ/4板419的辐射的第一偏振方向横切的第二方向上偏振的辐射。其引向器与第二次透射过来的辐射的第二偏振方向平行的反射偏振片423让这一辐射通过，使得这一辐射通过第二透镜470和头戴式显示器的光学系统的出射光瞳450射入用户眼睛，并通过瞳孔在用户的视网膜上形成图象。第二透镜470保证出口辐射进一步的预聚集。包括分光镜425和反射偏振片423的偏振分束器的优点是头戴式显示器的重量可以减轻。应该指出，随着这个重量上的优点而来的是，与使用包括棱镜221和222的依赖于偏振的分束器的头戴式显示器相比，光的损失却大了8倍。这种光损失可以用液晶图像显示板的照明系统补偿。

减小这种光损失的一个途径是在分光镜425上使用依赖于角度的反光层。依赖于角度的反光层包括一叠为在大入射角下达到最大反射率和在小入射角下达到最小反射率而优化的子层。基片最好包括折射率相对较高的材料，例如，Schott公司提供的玻璃板BK-7。

图6分别表示没有依赖于角度的反射层的情况下未经处理的玻璃板BK-7的反射率、透射率和吸收率与角度的关系。图6的曲线图表示三条曲线600,601和602，分别代表S-偏振辐射的反射率、透射率和吸收率与入射角的函数关系。于是，如图4所示，对于玻璃板，在反射出现一次和透射出现两次的系统中，辐射透射效率为0.12×0.96×0.96=0.11。在玻璃板表面上施加依赖于角度的反射层时效率得到改善。这种层包括一叠光密度高的材料和光密度低的材料交替的子层，其子层的厚度等于所加辐射波长的一半。施加了这样的层的玻璃板的反射率、透射率和吸收率与角度的关系如图7所示。

图7表示施加了一叠材料层、例如7个子层的玻璃板BK-7的依赖于角度的反射率，其中层叠包括交替的ZrO₂的第一子层和Ta₂O₅的第二子层。子层的厚度等于所加辐射波长的一半。图7的曲线图表示三条曲线700、701和702，分别代表依赖于角度的反射层对S-偏振辐射的反射率、透射率和吸收率与入射角的函数关系。从曲线700,701和702可以看出，在如图4所示的前述系统中，其中在玻璃板中反射出现一次而透射出现两次，辐射的透射效率为0.12×0.96×0.96=0.11。此外，所述系统的效率取决于波长。

图8表示三条曲线，分别代表依赖于角度的反射层的反射率、透射率和吸收率与波长的函数关系。从这些曲线可以看出，效率最低为0.33×0.82×0.82=0.22。另一个依赖于角度的反射层的实例是一叠9个包括交替的ZnS和T₂O₂的子层。

头戴式显示器最好再包括保证出口辐射的预聚焦的第二透镜470。

为了减小诸如彗形象差、象散和场曲等图像误差，头戴式显示器的上述实施例的光学元件的多个曲面最好是非球面，例如，第一透镜、凹镜和第二透镜的曲面。

也可以用带有相关的照明系统的反射式液晶图像显示板来代替头戴式显示器上述实施例中的透射式液晶图像显示板。也可以使用与其引向器指向第一方向的线偏振片结合的阴极射线管。

Claims

1．一种包括图像显示装置和光学系统的头戴式显示器，所述光学系统包括凹镜和半透射元件，用来把所述图像显示装置形成的图像依次通过所述半透射元件、所述凹镜、所述半透射元件和所述头戴式显示器的出射光瞳投射在用户的视网膜上，其特征在于：所述头戴式显示器包括设置在所述图像显示装置和所述半透射元件之间的第一透镜，用来使所述光学系统中的所述图像显示装置产生的辐射准直。

2．权利要求1所要求的头戴式显示器，其特征在于：所述第一透镜具有凸面和基本上平的表面，所述凸面面向所述半透射元件。

3．权利要求1所要求的头戴式显示器，其特征在于：所述光学系统包括设置在所述半透射元件和所述凹镜之间的λ/4板，而所述半透射元件包括依赖于偏振的分束器，用来反射在第一方向上偏振并由所述图像显示装置产生的辐射，并用来选择性地让在第二方向上偏振并来自所述凹镜和所述λ/4板的辐射通过。

4．权利要求3所要求的头戴式显示器，其特征在于：所述依赖于偏振的分束器包括两个被具有偏振分束层的分束面分开的棱镜，用来反射在所述第一方向上偏振并由所述图像显示装置产生的辐射，并用来选择性地让在所述第二方向上偏振并来自所述凹镜和所述λ/4板的辐射通过。

5．权利要求3所要求的头戴式显示器，其特征在于：所述依赖于偏振的分束器包括半透射反射镜和依赖于偏振的反射镜，用来反射在所述第一方向上偏振并由图像显示装置产生的辐射，并用来选择性地让在所述第二方向上偏振的辐射通过。

6．权利要求4所要求的头戴式显示器，其特征在于：所述半透射反射镜具有依赖于角度的反射层，后者入射角度大时反射率较高，而入射角度小时反射率较低。

7．权利要求1所要求的头戴式显示器，其特征在于：所述头戴式显示器包括设置在所述半透射元件和所述出射光瞳之间的第二透镜，用来对从所述半透射元件到所述头戴式显示器的所述出射光瞳的辐射进行预聚焦。

8．权利要求1所要求的头戴式显示器，其特征在于：所述头戴式显示器具有至少一个具有非球面的光学元件。