[發明專利]基于球面棱鏡的頭戴顯示器的光學系統

無效

• 申請號: 201210199611.4
• 申請日: 2012-06-15
• 公開（公告）號: CN102692709A
• 公開（公告）日: 2012-09-26
• 發明（設計）人: 藍景恒;董戴;陳國勝;楊新軍;田永明
• 申請（專利權）人: 中航華東光電有限公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01;G02B27/00
• 代理公司: 安徽匯樸律師事務所 34116
• 代理人: 丁瑞瑞

技術領域

本發明涉及光學技術領域，特別是光學系統和器件設計領域，適用于虛擬現實與增強現實領域。

背景技術

頭盔顯示器（Head?Mounted?Display，簡稱HMD）分為半投型與全投型，它能將小型二維顯示器所產生的圖像經由光學系統放大，將準直圖像顯示到無窮遠或是足夠遠的地方，成幾米之外數十米的屏幕效果。由于頭戴顯示裝置安裝在觀察者的頭部，因此它必須緊湊和輕量化，以減輕觀察者的負載。隨著觀察視場的增加，觀察范圍也會增加，觀察者才能更全神貫注的觀察優質的動態圖像。對于頭戴顯示器系統而言，大視場也是相當重要的。光學系統的視場、出瞳直徑，焦距三者之間是相互制約的關系，同時達到大視場、大出瞳直徑和短焦距相當困難。

頭盔顯示器的種類很多，在結構上能實現最小輕量化的一般利用自由曲面棱鏡的類型，由于自由曲面的加工難度較大，而且集合于一個棱鏡上，使用加工基準難以確定，最終加工誤差較大。

美國專利Pat.No.5，959，780和6，292，301，利用自由曲面棱鏡(Free-Form?surface?Prism，FFSM)改進HMD光學系統，解決了光學系統對視場角、出瞳距離的要求與小型輕量化之間的矛盾。但由于FFSM光學系統僅使用一種玻璃材料，無法校正色差，實現寬波段顯示。

中國專利CN?102012563A公開了一種基于自由曲面棱鏡的頭盔顯示器光學系統，其在FFSM的基礎上引入二元光學元件，解決了一種玻璃無法校正色差的問題。但是，FFSM的加工本身就非常困難，如果再引入二元光學面，則加工起來極其困難，或者成本成倍增加，甚至無法實現。

發明內容

本發明要解決的技術問題就是針對以上現在技術的不足，提供一種基于球面棱鏡的頭戴顯示器光學系統，可實現彩色顯示，能有效校正像差提高像質，適合虛擬現實或增加現實的頭戴顯示器光學系統。

本發明基于球面棱鏡的頭戴顯示器光學系統至少由一個球面棱鏡、一塊球面透鏡、一塊微型顯示器組成，微型顯示器所發出的光依次經過球面透鏡、球面棱鏡后準直入射到人眼瞳孔中，從人眼瞳孔處到微型顯示器方向來看，光依次經過球面棱鏡的第一表面、第二表面、第一表面、第三表面，再進入球面透鏡的第一表面、第二表面，最后到達微型顯示器；球面棱鏡第一表面為凹面形狀的透射面；球面棱鏡第二表面為凹面形狀的反射面，起放大圖像的作用，外側鍍有反射層；球面棱鏡第三表面為凹面形狀的透射面；球面透鏡為單透鏡；球面棱鏡與球面透鏡的各個光學面均為球面。

作為本發明的進一步改進，所述的微型顯示器為0.59至0.63英寸的微型顯示器。

作為本發明的進一步改進，所述的微型顯示器為有機電致發光顯示器。

作為本發明的進一步改進，所述的球面棱鏡，從人眼瞳孔處到微型顯示器方向來看，光從球面棱鏡第二表面到達第一表面后全部發生全反射。

作為本發明的進一步改進，所述的球面棱鏡的三個球面均兩兩不同心。

作為本發明的進一步改進，所述的球面棱鏡所使用材料為PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）或PS（聚苯乙烯）。

作為本發明的進一步改進，所述的球面透鏡所使用的材料與球面棱鏡的不同，為光學玻璃。

作為本發明的進一步改進，當像面位于無窮遠時，頭盔顯示器的角分辨率為：

θ=min[2tgω2m,2tgv2n]]]>

式中:ω、v?分別為垂直和水平方向的全視場角;?m?、n分別是圖像源有效顯示面(方形4∶3)?上的水平和垂直方向的像素數。若選擇圖像源水平和垂直方向的像素數為800×600?，像素間距為2.4μm。由上式計算得到系統對應的角分辨率為0.?7?7mrad?，接近人眼的最小分辨率0.?5?mrad。若把頭盔顯示器光學系統的有效焦距設計為30?mm?，此時角分辨率相匹配的光學系統的空間頻率應達到30?lp/?mm。