[發(fā)明專利]一種光學(xué)透射投影式立體頭盔顯示器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010621156.3
• 申請日: 2010-12-24
• 公開（公告）號: CN102096194A
• 公開（公告）日: 2011-06-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 程德文;王涌天;翁冬冬;劉越
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01;G02B27/22;G02B7/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光學(xué)透射投影式立體頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)，特別適合于虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

英國發(fā)明家Charles?Wheat?stone爵士在1838年發(fā)明了第一臺(tái)基于視差原理的3D立體觀屏器，但當(dāng)時(shí)照片還沒有發(fā)明出來，使用的手工畫出來的圖片。1859年Oliver?Wendel?Holmes改進(jìn)了Joseph?Bates的專利，發(fā)明了手持袖珍型觀屏器，其原理一直流行到今天。由于長期以來立體觀屏器的所觀察的圖像為圖片，無法連續(xù)播放立體圖像，其使用受到了一定的限制。頭盔顯示技術(shù)的立體視覺也是基于這一原理的。

圖片顯示的優(yōu)勢在于其尺寸可以做的比較大，由于是紙質(zhì)，分辨率可以比較高，因此目視光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以很簡單，同時(shí)無需驅(qū)動(dòng)，整體質(zhì)量輕。頭盔顯示技術(shù)的發(fā)展長期以來受到了顯示技術(shù)制約。以往微顯示器尺寸大，分辨率很低，無法實(shí)現(xiàn)緊湊型高清頭盔顯示器。同時(shí)因?yàn)槭请p目顯示，微顯示器的尺寸不能夠太大，如果其尺寸大于雙目間的距離，就會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)上的碰撞沖突而無法安放。另外一方面就是分辨率太低容易造成用戶的視疲勞。現(xiàn)有的微顯示器向著超小型高分辨率的方向發(fā)展，對系統(tǒng)的小型化具有重要的意義，但是顯示器的小型化無疑大大增加了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，一方面是光學(xué)系統(tǒng)的有效焦距不斷變小，視場要求很大，而要求的光闌直徑比一般目鏡的要大，需要8-13mm，這兩方面的因素使系統(tǒng)的F數(shù)很小，設(shè)計(jì)難度大。

用傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)對稱的光學(xué)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)光學(xué)透射式結(jié)構(gòu)，即使能夠?qū)崿F(xiàn)，系統(tǒng)的重量很大，視場小。因此科學(xué)家們提出了投影式頭盔顯示器技術(shù)，該投影技術(shù)結(jié)合采用了投影式透鏡結(jié)構(gòu)和具有光路回返功能的返射屏(光路原光路返回，改屏表面由微角錐陣列組成)。該技術(shù)需要在環(huán)境表面預(yù)先貼上返射屏，通過投影物鏡透射出的光線經(jīng)過返射屏原光路返回最終進(jìn)入人眼。因此可以實(shí)現(xiàn)小畸變大視場的頭盔顯示器。但是其缺點(diǎn)在于需要在使用環(huán)境下事先在環(huán)境表面上貼上一層返射屏，否則將看不到虛擬圖像。為此近期Rolland教授等人提出了一種將返射屏集成到頭盔顯示器中的設(shè)計(jì)方案，但是由于返射屏離人眼太近是衍射效應(yīng)非常明顯，導(dǎo)致成像效果十分不理想。

現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)對稱式結(jié)構(gòu)頭盔顯示器存在的問題：

1.大的微型顯示器不容易購買，且分辨率不高，高端尺寸較大的顯示器價(jià)格十分昂貴；

2.不利于實(shí)現(xiàn)光學(xué)透射式頭盔顯示器；

3.大的微型顯示器可能會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)上的物理碰撞；

4.大的微型顯示器質(zhì)量大；

5.為了減輕目鏡質(zhì)量采用非球面塑料玻璃設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)投影式頭盔顯示器的不同之處在于：

1.所成中間像為實(shí)像，不采用回返屏，因此不會(huì)產(chǎn)生因?yàn)橛捎陔x回返屏太近而產(chǎn)生的衍射效應(yīng)，導(dǎo)致成像模糊。

2.無需在使用環(huán)境下預(yù)先在物體表面貼上回返材料，可在特殊環(huán)境中的使用。

3.投影屏幕可以比較大，即使尺寸比雙目間距大，也不會(huì)發(fā)生物理碰撞，可以通過分時(shí)復(fù)用的方式投影圖像，實(shí)現(xiàn)立體視覺。

發(fā)明內(nèi)容

傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)對稱式結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)大視場光學(xué)透射式頭盔顯示器。傳統(tǒng)投影式頭盔顯示器雖然能夠?qū)崿F(xiàn)大視場光學(xué)透射式頭盔顯示器，但是需要在物體表面貼上返射材料，如果將其與頭盔顯示器集成一體，成像質(zhì)量因返射材料的衍射效應(yīng)會(huì)受到很大的影響。

為了解決傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)對稱光學(xué)系統(tǒng)難于實(shí)現(xiàn)光學(xué)透射式大視場頭盔顯示器的問題，為了有效解決大顯示器會(huì)發(fā)生物理結(jié)構(gòu)的碰撞問題，為了解決現(xiàn)有投影式頭盔顯示器中投影系統(tǒng)離返射屏距離太近時(shí)成像不清晰的問題。本發(fā)明提出一種投影式的頭盔顯示器系統(tǒng)。由近距微投影系統(tǒng)、分光鏡和散射屏組成。近距微投影系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較巧妙。它由目鏡和投影物鏡共同構(gòu)成。透鏡組2即充當(dāng)目鏡的作用，也是近距微投影系統(tǒng)的一部分。這樣保證投影系統(tǒng)投射到屏幕上的像是清晰的實(shí)像。而成在散射屏幕上的圖像經(jīng)過目鏡起到放大的作用，經(jīng)過半反半透鏡反射進(jìn)入人眼，同時(shí)將圖像成在較遠(yuǎn)的地方。

附圖說明

關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可以通過以下的發(fā)明詳述及附圖得到進(jìn)一步的了解。

附圖1中的5為微顯示器，4為近距微投影顯示系統(tǒng)的后端成像部分，3為半反半透鏡，2為目鏡，也是近距微投影顯示系統(tǒng)的前端顯示部分。1為散射屏幕，近距微投影系統(tǒng)將在上面成實(shí)像。7為實(shí)際觀察到圖像所處的位置。光線經(jīng)由微顯示器發(fā)出，經(jīng)過近距微投影系統(tǒng)的后端鏡頭，透過到以45度角安裝的半反半透鏡到達(dá)近距微投影系統(tǒng)的前端透鏡最終成像在散射投影屏上，在投影屏上的圖像再次經(jīng)過目鏡在半反半透鏡上反射最終進(jìn)入人眼。

圖1是本發(fā)明的光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。