CN1664649A - 一种头盔显示器的新型光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种头盔显示器的新型光学系统，涉及一种轻型、紧凑和像差校正良好的可调焦光学系统，可以作为透视式头盔显示设备的目视光学系统。该目视光学系统包括一组目镜和一个组合棱镜结构。该目镜中至少包含一个透射元件。该组合棱镜结构中至少有一个面为凹反射面，至少有一个面为半反半透光学面，至少在光学面之间发生两次反射，在光学面之间的空间所充满介质折射率大于1。该目视光学系统以微型液晶显示器为像面显示设备，可以将由内部通道图像源经过该目视光学系统所成的图像和外部世界图景融合，使所述图像成像于观察者观察方向无穷远处，且可调焦到距观察者有限距离处。本发明具有的优点：系统紧凑、像差校正良好、光能利用率高，同时可进行较大范围调焦。

Description

一种头盔显示器的新型光学系统

技术领域

本发明为一种头盔显示器的新型光学系统，涉及一种轻型、紧凑和像差校正良好的可调焦光学系统，可以作为透视式头盔显示设备的目视光学系统。

背景技术

头盔显示器(Head-Mounted Display，简称HMD)可以扩展科学三维可视化程度，增进用户-计算机的交互性能，近年来在教育培训、交互控制，系统样机设计、制造与装配，甚至尖端武器及飞行器的研制开发等领域都受到广泛重视。因其应用领域的不同，可以分为用于虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)的单通道(浸没式)头盔显示器和用于增强现实(Augmented Reality，简称AR)的双通道(透视式)头盔显示器。浸没式头盔显示系统可以完全隔离用户对真实世界的观察，呈现出一个由计算机所生成的世界，使其完全身处虚拟世界之中。但其通常的结果是将使用者与在真实环境中的一切景象隔离开来。

对于双通道HMD而言，用户可以同时看到外部世界和计算机产生的虚拟图像，因而不易产生眩晕，在该类光学双通道头盔显示器中，需要将外部世界的图像和图像源传来的图像信号融合，这部分功能由光学组合器完成。

由于头盔显示器佩戴在用户头部，所以在设计时不仅要满足一般光学显示仪器的要求，还要更多地考虑人体因素。人的裸眼可见水平视场为200°、垂直视场为100°。由于人眼主要对中心为20°的视场敏感，所以在设计目视光学系统时应保证中心20°的像质。现有的军用和商用头盔显示器(VR类)中，用于美军AH-64A Apache直升机用头盔显示器的水平视场为±20°，垂直视场为±15°；i-O Display Systems生产的i-glasses头盔显示器的水平视场为±12°，垂直视场为±9°。目前商品化的可用于增强现实(AR)的头盔显示器为i-ODisplay Systems公司生产的i-glasses。

对于头盔显示器而言，光能利用率将影响系统的整体性能。光能利用率为到达人眼的光能与入射光能量的比值。它反映了头盔显示器的光学系统对光的吸收或反射，也就是光在到达人眼前的损耗部分。设计时应考虑尽可能增大光能利用率以减少光能的损耗。对于传统的VR用的头盔显示器来说，只需要考虑图像源发出的光在通过光学系统时的光能损失。而对于增强现实用的透视式双通道HMD来说，设计时要同时照顾到两个通道的光能利用率，即图像源发出的光通过光学系统后的光能损失与外界光经过光学系统透射后的光能损失。

目前i-O Display Systems公司生产的商品化的可用于增强现实(AR)的头盔显示器为i-glasses，其光学系统结构如图1所示，其中的光学组合器16含有2个半反半透光学面14、15。它们使图像源与外界的光信号都能进入人眼，起到了组合器的作用，实现了双通道的合成。但该类系统的外部光线要通过2个半反半透光学面14、15才能进入人眼，在通过每一个半反半透光学面后，光能都要减少1/2。在忽略其它的光能损失的前提下，最后到达人眼的光能利用率最大只能是(1/2)×(1/2)＝1/4。同时由图像源发出的光要3次经过半反半透光学面，即两次经过半反半透光学面15，一次经过半反半透光学面14，使得内部通道的光能利用率下降到(1/2)×(1/2)×(1/2)＝1/8。由于需要双通道同时成像，所以光能利用率的问题不能通过调整半反半透光学面的反射与透射比来实现，增大其中一个通道的光能利用率，势必影响另一通道。

在真实环境中，眼睛可以自动调焦以观察不同距离的物体。如要实现外部世界与内部通道中图像源所传来的图像的融合，应使头盔显示器中的光学系统可将虚拟场景中的物体成像于不同距离，能够适度调焦，进而实现真实模拟，可以增强用户的浸没感。

发明内容

本发明的目的是克服上述技术上的不足，提供一种包含一组目镜13和一个光学组合器16的可调焦光学系统。本发明所说明的光学系统为一种轻型、紧凑、像差校正良好和光能利用率高的可调焦头盔显示器光学系统。

为获得上面所描述的光学系统，本发明中的光学组合器16包含一个半反半透光学面6和一个凹面反射面7，其中透过介质的折射率大于1；目镜13中与内部通道图像源1相邻的光学面为凹面。

本发明通过改变光学组合器16中组合棱镜的结构来解决双通道头盔显示器光能利用率的问题。该组合棱镜的光学结构如图2中所示光学组合器16，其只含有1个半反半透的光学面6，图2中位于最底部的面为一反射面7，这样外部光线只经过一次半反半透光学面6，其光能利用率为1/2。内部通道由图像源1发出的光线只经过2次半反半透光学面6，其光能利用率为(1/2)×(1/2)＝1/4。同时内部通道光路在光学组合器16处有折叠，而该结构中的反射面7为凹面，减小了边缘视场主光线在光学平面5和目镜13上的投射高；为减小边缘视场主光线在半反半透光学面6和光学面7(凹面)上的投射高，该光学组合器16的透过介质折射率大于1，保证了设计结构紧凑、重量轻等优点。

本发明利用一个微型显示器1来显示内部通道的图像，采用含有一组目镜13和一个光学组合器16的可调焦光学系统将图像成像于观察者前的适当距离处。该光学系统中的目镜13所产生的像差与光学组合器16产生的像差符号相反，以平衡系统像差，且其与微型显示器1所表示的内部通道图像源相邻的透镜的光学面为凹面，有效控制了畸变。由微型显示器1所出射的光线经过目镜13，在光学组合器16的第一个光学平面5透射，光线被凹面反射面7会聚到半反半透光学面6上，并被该半反半透光学面6反射经过光学平面8，进入位于光学系统出瞳9处的观察者瞳孔处。凹面反射面7面向目镜13，其顶点切面与观察者视线平行，而其球面中心与微型显示器1中心同轴；半反半透光学面6面向观察者瞳孔9，与观察者视线有一个夹角。

本发明中的微型显示器1与目镜13之间的距离可以调节，图2所示H为本发明内部通道的调焦位置。使图像源中的图像成像于500毫米到无穷远的距离处，与外部世界中距观察者为不同距离的物体进行适度匹配，进而实现图像融合。

本发明采用一个微型显示器1来显示内部通道的图像，由于头盔显示器在使用中会长时间地佩戴在用户头部，所以要求头盔的光学与机械结构紧凑、重量轻，为此本发明中的图像源采用液晶显示器，其输出图像宽高比为4∶3，即水平视场与垂直视场的比值都约为4∶3，则其水平视场FOV_H与垂直视场FOVx的数值分别需满足下面公式(1)：

$\tan ({\mathrm{FOV}}_H/2)=\frac{h}{2f}$

$\tan ({\mathrm{FOV}}_V/2)=\frac{3h/4}{2f}---\left(1\right)$

h表示微型显示器1水平方向的尺寸，垂直方向的尺寸为3h/4，f表示本发明所提供的光学系统的焦距。

人眼最小分辨率为10″，大约为0.5mrad。本发明中光学系统的理想角分辨率受设计视场大小的图像源尺寸和象素数的限制，当内部通道所采用图像源为分辨率为(640×3)×480象素的微型显示器且当像面位于无穷远时，头盔显示器的角分辨率θ可由公式(2)决定：

$\mathrm{\θ}\≈\frac{2\tan ({\mathrm{FOV}}_H/2)}{640}=\frac{2\tan ({\mathrm{FOV}}_V/2)}{480}\left(\mathrm{rad}\right)---\left(2\right)$

本发明中所给出的光学系统的出瞳距离为组合棱镜结构的边缘与人眼瞳孔的最小距离。为保证使用者佩戴方便，出瞳距离不应过小，应大于15mm，如果允许用户在使用时佩戴眼镜的话，则要求出瞳距离大于25mm。本发明所采用的出瞳距离为大于25mm。

本发明中所给出的光学系统的出瞳直径为10mm。人眼瞳孔在正常状态下的直径为2mm左右，在黑暗环境下会适当放大。为了允许人眼眼球有一定范围的移动，一般要求头盔显示器光学系统的出瞳直径大小在8mm以上。为进一步满足军用系统中人眼移动的要求，本发明中的出瞳直径给定为10mm。

本发明中的光学系统的瞳距采用62mm。大多数双目显示头盔由两个对称的光学系统组成，它们各自出瞳主光线的距离为此头盔显示系统的瞳距。人眼的瞳距一般在54～70mm之间，双目头盔的瞳距应能良好地配合使用者的双目瞳距。为了使系统结构简单，设计时使用平均值为62mm。

本发明具有的优点是：该光学系统可以应用于增强现实的头盔显示器，其可以实现的视场角为36°(H)×27°(V)，最小角分辨率为1.015毫弧度，成像质量优良，畸变不大于1％，可以同时清晰观察外部世界的图景和内部通道中微型显示器1所表示的图像源的图像。

附图说明

图1现有的用于AR的头盔显示器的光学结构图

图2发明中用于AR的头盔显示器的光学结构图

图3发明所给出实施例子中用于AR的头盔显示器的光学系统图

其中(a)为成像于500mm时的光学系统图，(b)为成像于2000mm时的光学系统图，(c)为成像于无穷远时的光学系统图。

图4发明所给出实施例子中光学系统的MTF曲线

图5发明所给出实施例子中光学系统的畸变曲线

图6发明所给出实施例子中光学系统的畸变栅格图

1-微型显示器，2-目镜中靠近微型显示器的正透镜，3-双胶合透镜中的正透镜，4-双胶合透镜中的负透镜，5-光学组合器中靠近微型显示器的入射光学平面，6-光学组合器中的半反半透光学面，7-光学组合器中的凹面反射面，8-光学组合器中靠近观察者的出射平面，9-光学系统的出瞳，10-光学组合器中外部光线的入射面，11-由5、6、10面组成的直角棱镜，12由6、8、12面组成的含凹面反射面的光学元件，13-目镜，14-现有头盔显示器中光学组合器的一个半反半透光学面，15-现有头盔显示器中光学组合器的第二个半反半透光学面，16-光学组合器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所给出的可调焦光学系统对微型显示器1成像的内部通道与观察外部世界的外部通道的光路和光学系统成像质量详细说明：

本发明中实施例子的光学系统及其光路图如图2和图3所示，图3(a)为成像到500mm的光学系统图、图3(b)为成像到2000mm的光学系统图和图3(c)为成像到无穷远时的光学系统图，通过调节图3中微型显示器1与正透镜2之间的距离(从2毫米到6毫米)，即可实现将内部通道中的图像源成像于不同位置的目的。如图3中微型显示器1的光线被光学系统中正透镜2会聚，由正透镜3和负透镜4组成的双胶合透镜将会聚光线透射到光学组合器16中光学平面5；进入光学组合器16的光线首先透射经过半反半透光学面6，光学能量损失1/2，此时的光线被光学组合器16中的凹面反射面7反射到半反半透光学面6，光学能量再次损失1/2；被光学面6所反射的光线经过光学平面8，进入图中位于光学系统出瞳9处的观察者瞳孔。图3中外部世界的光线则通过光学平面10进入光学组合器16，并经过半反半透光学面6和光学平面8进入观察者的瞳孔，此时由光学面5、10、6所组成的光学元件11与由光学面6、7、8所组成光学元件12的材料相同，未在光学面6处引入折射，但因光学面6为半反半透光学面，光学能量损失1/2。内部通道图像源发出的光在通过光学系统后的光能利用率为(1/2)×(1/2)＝1/4，外界光线经过光学系统透射后的光能利用率为1/2。

本实施例子中微型显示器1对角线长为4/3英寸，光学系统在成像于无穷远时，水平视场为±18°，垂直视场为±13.5°，此时的光学系统焦距为41.2365mm。该光学系统的最小角分辨率为：θ≈2tan(FOV_H/2)/640＝2×tan(18)/640＝1.015×10^-3＝1.015mrad，即其为1.015毫弧度。

本实施例子中微型显示器1与光学组合器16之间的直线距离为28.45mm，光学组合器16到出瞳9之间的直线距离即光学系统的出瞳距离为25mm。为实现外部世界与内部通道之间水平视场和垂直视场的匹配，光学组合器的设计尺寸为36×36×40mm³。

本发明中光学系统用于AR中的头盔显示器，需要实现外部世界的图景与内部通道的图像的真实融合，因此应对内部通道的光学系统的畸变进行控制，本实施例子中的光学系统的畸变不大于1％。

本实施例子中的光学系统的光学传递函数曲线(MTF)如图4所示，其中图4(a)、图4(b)和图4(c)分别表示图3(a)、图3(b)和图3(c)所示光学系统的MTF曲线。而对应不同成像位置的畸变曲线如图5所示，图6则给出了各自所对应的畸变栅格。

Claims (15)

1.一种头盔显示器的新型光学系统，包括：使用微型液晶显示器1作为内部图像源显示设备，使所述图像成像于观察者观察方向无穷远处，且可调焦到距观察者有限距离处；该目视光学系统包括一组目镜2和一个组合棱镜结构5，该目镜2中至少包含一个透射元件，该组合棱镜结构5中至少有一个面为凹面反射面7，至少有一个面为半反半透光学面6，至少在光学面之间发生两次反射，在光学面之间的空间所充满的介质的折射率大于1，从微型显示器1出射的光线首先通过目镜2的透射面，并通过组合棱镜结构5的第一个透射面5进入组合棱镜结构5，穿过半反半透光学面6后由凹面反射面7反射，反射的光线再由半反半透光学面6反射，并通过第二个透射面8进入观察者的瞳孔；观察者看到的为被所述微型显示器1经过该光学系统所成的图像所增强的直接通过组合棱镜结构看到的外界环境。

2.如权利要求1所述的一个内部图像源显示装置包括一个微型显示器1来显示图像，一个目视光学系统将由微型显示器1所显示的图像成像，使观察者能够观察，并保持所述微型显示器1和所述目视光学系统位于观察者的头部或脸部，所述目视光学系统包括一组目镜2，该目镜2与内部图像源1相邻透镜的光学面为凹面，以有效控制畸变，光学系统中的目镜2所产生的像差与组合棱镜结构5产生的像差符号相反，以平衡系统像差，所述目视光学系统还包括一个组合棱镜结构5，该结构的第一个光学面为平面5，与上面所述目镜2的远离微型显示器1的光学面相对；其位于所述目镜2和所述观察者瞳孔9之间，所述组合棱镜结构5所产生像差由所述目镜2所产生像差来平衡，由上面所述目镜2所出射的光线将通过所述组合棱镜结构5的第一个光学面5进入上面所述组合棱镜结构5，由上面所述凹面反射面7反射，反射的光线再由所述半反半透光学面6反射，并通过上面所述第二个透射面8，进入观察者的瞳孔。

3.如权利要求2所述的内部图像源显示装置，其特征在于在所述第一个透射面5、第二个透射面8和凹面反射面7所构成的组合棱镜结构5中，所述光学结构的透过介质的折射率大于1，以减小边缘视场主光线在所述半反半透光学面6和凹面反射面7上的投射高，进而简化目镜设计，使其结构紧凑。

4.如权利要求3所述的内部图像源显示装置，其特征在于所述组合棱镜结构5中，从所述微型显示器1所出射的光线经过所述目镜2，在所述组合棱镜结构5的第一个面5透射后，在到达所述凹面反射面7前被所述半反半透光学面6透射。

5.如权利要求3所述的内部图像源显示装置，其特征在于所述组合棱镜结构5中，还有第三个透射光学面10，外界实际光线从所述光学面进入，并从所述半反半透面6透射，进入观察者的瞳孔9，所述光学面10与所述第二个透射面8平行；由光学面5、10、6所组成的光学元件11与由光学面6、7、8所组成光学元件12的材料相同，未在所述半反半透面6处引入折射，光学能量损失1/2。

6.如权利要求5所述组合棱镜结构5，其特征在于所述反射面7为凹面，以减小边缘视场主光线在所述目镜2上的投射高。。

7.如权利要求4到6中的所述内部图像源显示装置，其特征在于其中所述组合棱镜系统5中一个光路的排列如下，光线从所述组合棱镜系统5的第三个透射面10入射到所述半反半透光学面6上，被所述半反半透光学面6透射；而另一个光路中，则光线被所述组合棱镜系统5的凹面反射面7反射到所述半反半透光学面6上，再被所述半反半透光学面6反射到所述组合棱镜系统5的第二个透射面8。

8.如权利要求4所述的组合棱镜结构5，其特征在于其中所述第一个透射面5与半反半透光学面6的夹角为45度。

9.如权利要求4所述的组合棱镜结构5，其特征在于其中所述半反半透光学面6与凹面反射面7顶点切线的夹角为45度。

10.如权利要求2所述目视光学系统，其特征在于所述目镜2位于微型显示器1与组合棱镜系统5之间。

11.如权利要求10所述目镜，其特征在于从所述微型显示器1出射的光线，通过所述目镜2的第一个透射光学元件2，该元件2面向微型显示器1的面为凹面，以校正系统畸变。

12.如权利要求11所述目镜2，其特征在于该目镜2中光学元件与微型显示器1共轴。

13.如权利要求2所述目视光学系统，其特征在于微型显示器1出射的光线从所述目镜2透射后，被所述组合棱镜系统5的凹面反射面7反射，并通过所述组合棱镜系统5的第二个透射面8，进入观察者的瞳孔9，其出瞳距离大于25毫米。

14.如权利要求2所述目视光学系统，其特征在于出射的光线从所述目镜2透射后，被所述组合棱镜系统5的凹面反射面7反射，透过所述组合棱镜系统5的第二个透射面8，进入观察者的瞳孔9；所述微型显示器1与所述目镜2的第一个光学元件2的轴上距离大于6毫米时，对应于成像于无穷远的图像。

15.如权利要求2所述目视光学系统，其特征在于微型显示器1出射的光线从所述目镜2透射后，被所述组合棱镜系统5的凹面反射面7反射，透过所述组合棱镜系统5的第二个透射面8，进入观察者的瞳孔9，所述光学系统可调焦；所述微型显示器1与所述目镜2的第一个光学元件2的轴上距离2毫米时，对应于成像于500毫米的图像。

Images