[發明專利]折衍射反射式頭戴顯示器光學系統

有效

• 申請號: 201710502575.7
• 申請日: 2017-06-27
• 公開（公告）號: CN107272203B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 方瑞芳
• 申請（專利權）人: 塔普翊海（上海）智能科技有限公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種折/衍反射式頭戴顯示器光學系統，其特點在于由菲涅爾透鏡、孔徑光闌、反射鏡、分光鏡和回射屏組成。本發明具有結構簡單、光能利用率高、成像質量高等特點，可應用于增強現實的頭戴顯示設備中。

技術領域

本發明涉及頭戴顯示器，特別是一種折衍射反射式頭戴顯示器光學系統。

背景技術

頭戴顯示器是一種將微型顯示器的圖像或數據信息投射到人眼瞳孔的目視光學系統。按其投射方式不同，頭戴顯示器分為目鏡式頭戴顯示器和投影式頭戴顯示器。目鏡式頭戴顯示器將圖像放置在光學系統的焦距以內產生放大的虛像，并經過后續透鏡組的折射或反射在人眼瞳孔處形成系統出瞳。該出瞳位置與光學系統的孔徑光闌位置重合，因此隨著視場的不斷增大，這種結構對于畸變等軸外像差的校正面臨著挑戰。目前大多數目鏡式頭戴顯示器已無法同時滿足光學系統的高成像質量與結構的小型化、輕量化。為了解決之一問題，在先技術[1](參見James?L.Fergason.Optical?system?for?a?head?mounteddisplay?using?a?retro-reflector?and?method?of?displaying?an?image,US5621576,1994)中Fergason第一次提出投影式頭戴顯示器的概念，其結構原理圖如圖1所示，主要由微型顯示器1a、投影光學系統2a、分光鏡3a和回射屏4a組成。其中微型顯示器的圖像放置在投影光學系統的焦距以外產生放大的實像5a，被分光鏡反射至回射屏4a，由于回射屏的特殊材料使光線原路返回，并經過分光鏡透射形成系統出瞳6a。由于投影光學系統的孔徑光闌位于系統中間位置，對稱式結構使投影式頭戴顯示器具有優良的光學性能。相對于目鏡式頭戴顯示器，投影式頭戴顯示器更容易實現結構的簡單緊湊，具有大視場、大出瞳、高成像質量、體積小、重量輕等特點。

目前投影式頭戴顯示器中采用的投影光學系統一般為全折射結構。由微型顯示器產生的圖像經過一系列沿光軸放置的透鏡后投影到位于人眼前的回射屏上，供人眼觀察。隨著頭戴顯示器中光學系統的視場角不斷增大，投影光學系統必須增加透鏡個數或采用復雜的光學結構才能實現大的成像倍率，增大投射像的尺寸，增強用戶對使用場景的沉浸感。為了校正各項像差，投影光學系統通常采用特殊面形的透鏡如自由曲面、非球面透鏡以提高成像質量。這增大了光學系統的加工難度，為頭戴顯示器的小型化帶來了挑戰。投影光學系統中多透鏡的使用，降低了頭戴顯示器的光能利用率。另外，回射屏的使用限制了用戶對真實場景的觀察，現有的投影光學系統很難應用于增強現實頭戴顯示技術中。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有系統的不足，提出一種折衍射反射式頭戴顯示器光學系統。該光學系統具有結構簡單、光能利用率高、成像質量高等特點，可應用于增強現實的頭戴顯示設備中。

本發明的技術解決方案如下：

一種折衍射反射式頭戴顯示器光學系統，其特點在于包括菲涅爾透鏡、孔徑光闌、反射鏡、分光鏡和回射屏，其位置關系是：以微型顯示器的圖像面作為物面，該物面中心與本光學系統的光軸具有一定的距離，沿所述的微型顯示器輸出的光束傳播方向依次是所述的菲涅爾透鏡、孔徑光闌和反射鏡，所述的菲涅爾透鏡、孔徑光闌和反射鏡相對于光軸對稱放置；在平行于光軸光且被反射鏡反射的方向，并距離所述的菲涅爾透鏡左邊一定距離處依次放置所述的分光鏡和回射屏，所述的分光鏡的法線與光軸所成的角度為45°，該分光鏡的中心與光軸的距離和所述的物面中心與光軸的距離相等；

所述的菲涅爾透鏡為平面螺紋透鏡，由基面和工作面組成，所述的基面為平面，所述的工作面上設有一系列同心的環帶形鋸齒槽，每個環帶形鋸齒槽相當于一個獨立的折射面，且各鋸齒槽的環帶的徑向距離相等；所述的菲涅爾透鏡的工作面被經過光軸的平面分成第一工作面和第二工作面，所述的第一工作面具有焦距f₁的非球面透鏡的聚焦能力，所述的第二工作面具有焦距為f₂的非球面透鏡的聚焦能力；