[發(fā)明專利]一種眼鏡式頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810051558.7
• 申請(qǐng)日: 2008-12-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101424788A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-05-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳海清;孫強(qiáng);王健
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
• 主分類號(hào): G02B27/01
• 分類號(hào): G02B27/01;G02B17/08;G02B1/04
• 代理公司: 長(zhǎng)春菁華專利商標(biāo)代理事務(wù)所
• 代理人: 王立偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種眼鏡式頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，可以作為直視式頭盔顯示器的目視光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

頭盔顯示器(Head?Mounted?Display，HMD)系統(tǒng)是一種固定在頭盔上，給使用者產(chǎn)生可視圖像的小型裝置，主要包括圖像顯示器件、成像光學(xué)系統(tǒng)、定位傳感系統(tǒng)、電路控制及連接系統(tǒng)等。

HMD是利用光學(xué)系統(tǒng)將微顯示器的圖像投影在觀察者的眼前從而產(chǎn)生一個(gè)充滿視野的放大的虛像從而產(chǎn)生“沉浸感”，并根據(jù)不同的應(yīng)用呈獻(xiàn)不同的視覺(jué)效果。作為新型圖像信息顯示器件，HMD在提供景象的全面信息方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，它不僅作為個(gè)人應(yīng)用顯示器，還是緊湊型大屏幕投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，由于平板顯示器的迅速發(fā)展和普及，使得頭盔顯示器在很大成度上克服了大重量、大體積、高功耗和高工作電壓等缺點(diǎn)，使其應(yīng)用前景更加廣闊，由于其具有大畫(huà)面、便攜、不須手持、可體驗(yàn)視覺(jué)圖像變化時(shí)全身心投入的臨場(chǎng)感等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、娛樂(lè)、醫(yī)療、工程和模擬訓(xùn)練等領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明采用一個(gè)微型顯示器1來(lái)顯示內(nèi)部通道的圖像，由于頭盔顯示器在使用中會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地佩戴在用戶頭部，所以要求頭盔的光學(xué)與機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，為此本發(fā)明中的圖像源采用OLED顯示器，其輸出圖像寬高比為4∶3，即水平視場(chǎng)與垂直視場(chǎng)的比值為4∶3。

本發(fā)明中所給出的光學(xué)系統(tǒng)的出瞳距離為透鏡2頂點(diǎn)與人眼瞳孔的最小距離。為保證使用者佩戴方便，出瞳距離不應(yīng)過(guò)小，應(yīng)大于15mm，如果允許用戶在使用時(shí)佩戴眼鏡的話，則要求出瞳距為15mm-25mm。本發(fā)明所采用的出瞳距離為大于20mm。

本發(fā)明中所給出的光學(xué)系統(tǒng)的出瞳直徑為8mm。人眼瞳孔在正常狀態(tài)下的直徑為2mm左右，在黑暗環(huán)境下會(huì)適當(dāng)放大。為了允許人眼眼球有一定范圍的移動(dòng)，一般要求頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的出瞳直徑大小在6mm-10mm，本發(fā)明中的出瞳直徑給定為8mm。本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)的瞳距采用62mm。大多數(shù)雙目顯示頭盔由兩個(gè)對(duì)稱的光學(xué)系統(tǒng)組成，它們各自出瞳主光線的距離為此頭盔顯示系統(tǒng)的瞳距。人眼的瞳距一般在52-78mm之間，常用范圍60-64mm；雙目頭盔的瞳距應(yīng)能良好地配合使用者的雙目瞳距。為了使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)時(shí)使用平均值為62mm。

本發(fā)明的技術(shù)方案包括：微顯示器OLED1，正透鏡2，平直分光板3與光軸成45°放置，透鏡4，出瞳位置5。

本發(fā)明各部件的位置及連接關(guān)系：微顯示器1與正透鏡2同軸放置，并與含有衍射面的正透鏡4的光軸垂直，平直分光板3位于正透鏡2和含有衍射面的正透鏡4之間并分別與兩個(gè)透鏡的光軸成45°放置。從微顯示器1出射的光線經(jīng)過(guò)正透鏡2到達(dá)平直分光板3，反射含有衍射面的正透鏡4，再反射后經(jīng)過(guò)平直分光板3，到達(dá)人眼瞳孔位置5。觀察者看到的是微顯示器1經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)圖像和直接經(jīng)過(guò)組合透鏡看到的外界環(huán)境。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是將微顯示器OLED的圖像經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)在觀察者前方2m遠(yuǎn)處成45in放大的虛像。可減小系統(tǒng)口徑，使得頭盔顯示器體積小、重量輕、功耗低，從而實(shí)現(xiàn)大畫(huà)面，體驗(yàn)視覺(jué)圖像變化時(shí)的“沉浸感”，并根據(jù)不同的應(yīng)用呈獻(xiàn)不同的視覺(jué)效果

引入反射鏡來(lái)折疊光路以縮短系統(tǒng)長(zhǎng)度，引入衍射面，利用其負(fù)色散性和波面任意整形特性來(lái)消除系統(tǒng)色差及改善波前像差。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的一種眼鏡式頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中包括OLED微顯示器1，正透鏡2，平直分光板3，含有衍射面的正透鏡4，出瞳位置5。

圖2是本發(fā)明的實(shí)施例的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線。和所選對(duì)角線尺寸為0.61in，分辨率為800×600的OLED圖像源對(duì)應(yīng)的空間分辨率為30lp/mm時(shí)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)值最低為0.33，滿足目鏡要求。

圖3是本發(fā)明的實(shí)施例的二元衍射面的線頻率(a)和相位(b)隨元件徑向坐標(biāo)的變化，由圖可知，衍射面具有174個(gè)環(huán)帶周期，最小環(huán)帶間隔為33μm，完全滿足當(dāng)前國(guó)內(nèi)衍射透鏡面形加工的技術(shù)要求。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，系統(tǒng)圖像源采用0.61in的OLED，出瞳直徑8mm，出瞳距離20mm，系統(tǒng)的全視場(chǎng)為32°。正透鏡2、含有衍射面的正透鏡4及平直分光板的材料均采用塑料(PMMA)，透鏡2的表面都采用球面，透鏡4的前表面采用衍射面后表面采用球面。平直分光板與光軸夾角45°放置。

OLED圖像源1產(chǎn)生的圖像經(jīng)過(guò)光學(xué)正透鏡2到平直反光板3上，再反射到含有衍射面的正透鏡4上，最后在眼睛所在位置產(chǎn)生一幅圖像，在觀察者前方2m遠(yuǎn)處成45in放大的虛像。從而產(chǎn)生“沉浸感”，并根據(jù)不同的應(yīng)用呈獻(xiàn)不同的視覺(jué)效果。