專利名稱：高分辨率頭戴式虛擬顯示目鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種目鏡，特別是涉及一種高分辨率頭戴式虛擬顯示目鏡。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中的頭戴顯示器(HMD)光學(xué)系統(tǒng)的常用方式，如圖1所示，顯示器件21中的圖像發(fā)出的由分束鏡22反射射向凹面反射鏡23，經(jīng)凹面反射鏡放大，人眼在出瞳24處觀察到經(jīng)放大的虛像。在頭戴顯示器領(lǐng)域，人們希望顯示系統(tǒng)具有較大的視場角、出瞳直徑和長的工作距離，同時(shí)具有盡可能小的體積。但由于體積、重量的限制，鏡片使用數(shù)目及元件間距受到限制，從而使以上三個(gè)指標(biāo)和像質(zhì)不能同時(shí)達(dá)到?，F(xiàn)有技術(shù)為滿足頭戴顯示功能，通常達(dá)不到足夠大的的視場角、出瞳直徑或足夠長的工作距離，或者提高了上述指標(biāo)，像質(zhì)卻存在不足。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有的頭戴式虛擬顯示目鏡所存在的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，大視場、大出瞳直徑、高像質(zhì)、可用于640×480以上分辨率的頭戴式虛擬顯示目鏡。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是包括鏡架，遮光罩，像源及其固定蓋。還包括有設(shè)置于鏡架內(nèi)部的光學(xué)顯示系統(tǒng)；所述的光學(xué)顯示系統(tǒng)，進(jìn)一步包括有透鏡，半透半反分束鏡和凹面反射鏡；透鏡位于像源與半透半反分束鏡之間，凹面反射鏡的光軸位于經(jīng)半透半反分束鏡反射后的透鏡的光軸上；像源位于所述光學(xué)顯示系統(tǒng)的焦平面上；出瞳位于凹面反射鏡的光軸上。所述的透鏡可以是球面透鏡，也可以是非球面透鏡；所述的凹面反射鏡可以是球面反射鏡，也可以是非球面反射鏡。像源為LCD，LCOS或其它亮度及分辨率滿足要求的顯示器件。
本實(shí)用新型技術(shù)方案所述的高分辨率頭戴式虛擬顯示目鏡，由于所采用的光學(xué)顯示系統(tǒng)，使得設(shè)于焦平面上的像源所發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡后，射向一半透半反分束鏡。經(jīng)分束鏡反射至凹面反射鏡，光線經(jīng)凹面反射鏡反射回來之后，經(jīng)分束鏡透射后被人眼接收。人眼在出瞳位置可觀察到放大的虛像。目鏡具有一定放大率，出瞳直徑可做到φ10mm以上，出瞳距離可做到25mm以上。在保持由較少元件構(gòu)成并且是小型結(jié)構(gòu)的情況下，能夠以廣闊的視野觀察高像質(zhì)的良好圖像。像質(zhì)可滿足640×480以上分辨率的像源。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的頭戴式顯示器光學(xué)系統(tǒng)原理圖圖2是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)分解圖圖3是本實(shí)用新型裝配之后的整體圖圖4是圖3中沿A-A方向的剖視圖圖5是本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
如圖2和圖3所示，包括鏡架1，以及設(shè)置在鏡架1上的遮光罩2，像源3及其固定蓋4；像源3為LCD，LCOS或其它亮度及分辨率滿足要求的顯示器件。還包括有設(shè)置于鏡架1內(nèi)部的光學(xué)顯示系統(tǒng)；所述的光學(xué)顯示系統(tǒng)，進(jìn)一步包括有球面或非球面透鏡5，半透半反分束鏡6和球面或非球面反射鏡7。如圖4所示，球面或非球面透鏡5位于像源3與半透半反分束鏡6之間，通過墊片8將球面透鏡5與像源3隔開，并使得像源3位于所述光學(xué)顯示系統(tǒng)的焦平面上；球面或非球面反射鏡7的光軸位于經(jīng)半透半反分束鏡6反射后的球面或非球面透鏡5的光軸上，通過固定夾9將球面或非球面反射鏡7固定在鏡架1上。出瞳12位于球面或非球面反射鏡7的光軸上。PCB板10通過螺絲11連接在鏡架上。
半透半反分束鏡6的大小為15×15×1.2mm～40×40×4mm；球面或非球面反射鏡7的半徑為30～70mm；球面或非球面透鏡5的半徑為——300～300mm，厚度為2～10mm；球面或非球面透鏡5的光軸與球面或非球面反射鏡7的光軸夾角為75°～105°；半透半反分束鏡6與球面或非球面透鏡5的光軸或球面或非球面反射鏡7的光軸間的夾角為30°～60°。
球面或非球面透鏡5與半透半反分束鏡6中心的距離為2.3～18mm；球面或非球面反射鏡7與半透半反分束鏡6中心的距離為5～17mm；出瞳與半透半反分束鏡6中心的距離為15～35mm。
設(shè)于焦平面上的顯示器件所發(fā)出的光線經(jīng)過球面或非球面透鏡5后射向半透半反分束鏡6，經(jīng)分束鏡6反射至凹面反射鏡7，光線反射回來后經(jīng)分束鏡6透射后被人眼接收。人眼在出瞳位置12處可觀察到放大的虛像，如圖5所示。
半透半反分束鏡與像面之間所設(shè)置的有一定放大率的透鏡，改變了系統(tǒng)的總焦距，同時(shí)校正像差，此方法加大了視場角，提高了像質(zhì)，使系統(tǒng)可用于640×480以上分辨率的顯示。這種情況下，可依靠凹面反射鏡及透鏡的非球面來修正像差。該系統(tǒng)是屬于全投入式，二級放大(凹面反射鏡起主要放大作用，透鏡起次要放大作用)的頭戴顯示器。本實(shí)用新型在保持由較少元件構(gòu)成并且是小型結(jié)構(gòu)的情況下，能夠以廣闊的視野觀察高像質(zhì)的良好圖像。
本實(shí)用新型的光學(xué)系統(tǒng)采用少量光學(xué)零件(分光鏡、反射器、透鏡)采用折反式結(jié)構(gòu)可以達(dá)到高倍率及小型化的光學(xué)系統(tǒng)。顯示器件的像面尺寸涵蓋范圍為對角線0.23～2英寸。由于半透半反分束鏡同時(shí)起到折反作用，故系統(tǒng)能量至少衰減75％，故系統(tǒng)對像源發(fā)光亮度有一定要求。另外，本光學(xué)裝置，由于是雙目系統(tǒng)，對于雙影像重合度要求很高，這就要求組裝必須符合以下規(guī)定，即凹面反射鏡、光學(xué)零件中心、像源中心與系統(tǒng)光軸重合(滿足一定精度要求)。在本實(shí)用新型的實(shí)施過程中，為了保證上述光軸重合定位精度，必須保證像源、分光鏡、凹面反射鏡和透鏡的裝配精度。并且分光鏡安裝時(shí)光學(xué)結(jié)構(gòu)保證是在與光軸相交30°～60°度范圍內(nèi)，且應(yīng)保證兩組分光鏡的平面度。其次，凹面反射鏡安裝通過球面定位保證安裝精度。
權(quán)利要求1.一種高分辨率頭戴式虛擬顯示目鏡，包括鏡架，以及設(shè)置在鏡架上的遮光罩，像源及其固定蓋，其特征在于還包括有設(shè)置于鏡架內(nèi)部的光學(xué)顯示系統(tǒng)；所述的光學(xué)顯示系統(tǒng)，進(jìn)一步包括有透鏡，半透半反分束鏡和凹面反射鏡；透鏡位于像源與半透半反分束鏡之間，凹面反射鏡的光軸位于經(jīng)半透半反分束鏡反射后的透鏡的光軸上；像源位于所述光學(xué)顯示系統(tǒng)的焦平面上；出瞳位于凹面反射鏡的光軸上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率頭戴式虛擬顯示目鏡，其特征在于所述的透鏡是球面透鏡；所述的凹面反射鏡是球面反射鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率頭戴式虛擬顯示目鏡，其特征在于所述的透鏡是球面透鏡；所述的凹面反射鏡是非球面反射鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率頭戴式虛擬顯示目鏡，其特征在于所述的透鏡是非球面透鏡；所述的凹面反射鏡是球面反射鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率頭戴式虛擬顯示目鏡，其特征在于所述的透鏡是非球面透鏡；所述的凹面反射鏡是非球面反射鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的高分辨率頭戴式虛擬顯示目鏡，其特征在于所述透鏡的光軸與凹面反射鏡的光軸夾角為75°～105°；半透半反分束鏡與透鏡光軸或凹面反射鏡光軸的夾角為30°～60°。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高分辨率頭戴式虛擬顯示目鏡，其特征在于球面透鏡頂點(diǎn)與半透半反分束鏡中心的距離為2.3～18mm；球面反射鏡與半透半反分束鏡中心的距離為5～17mm；出瞳與半透半反分束鏡中心的距離為15～35mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高分辨率頭戴式虛擬顯示目鏡，其特征在于所述的像源為LCD或LCOS。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高分辨率頭戴式虛擬顯示目鏡，其特征在于半透半反分束鏡的大小為15×15×1.2mm～40×40×4mm；球面反射鏡的半徑為30～70mm；球面透鏡的的半徑為-300～300mm，厚度為2～10mm。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種高分辨率頭戴式虛擬顯示目鏡。包括鏡架，遮光罩，像源及固定蓋。還包括設(shè)置于鏡架內(nèi)部的光學(xué)顯示系統(tǒng)；該光學(xué)顯示系統(tǒng)包括有透鏡，半透半反分束鏡和凹面反射鏡；透鏡位于像源與半透半反分束鏡之間，凹面反射鏡的光軸位于經(jīng)半透半反分束鏡反射后的透鏡的光軸上；像源位于所述光學(xué)顯示系統(tǒng)的焦平面上；出瞳位于凹面反射鏡的光軸上。透鏡是球面透鏡或非球面透鏡；凹面反射鏡是球面或非球面反射鏡。本實(shí)用新型技術(shù)方案所述的高分辨率頭戴式虛擬顯示目鏡，出瞳直徑可做到φ10mm以上，出瞳距離可做到25mm以上。在保持由較少元件構(gòu)成并且是小型結(jié)構(gòu)的情況下，能夠以廣闊的視野觀察高像質(zhì)的良好圖像。像質(zhì)可滿足640×480以上分辨率的像源。
文檔編號G02B25/00GK2798123SQ20042010356
公開日2006年7月19日 申請日期2004年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月28日
發(fā)明者張蔚 申請人:深圳力合東方景光電有限公司