專利名稱：投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)及其投影物鏡、應(yīng)用該系統(tǒng)的頭盔顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)計一種投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，本發(fā) 明還涉及一種投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)及應(yīng)用該系統(tǒng)的頭盔顯示裝置。
背景技術(shù)：
投影式頭盔顯示器(HeadMounted Progective Displays, HMPDs)是一種新型頭 盔顯示器，能夠在虛假現(xiàn)實及增強現(xiàn)實環(huán)境下給出真實物體和虛擬物體的正確“閉塞”，把 信息限制在特定空間，實現(xiàn)多用戶環(huán)境下互補干擾等效果。與以目鏡為基礎(chǔ)的頭盔顯示器 相比，該系統(tǒng)可獲得小的體積和質(zhì)量，大的視場以及小的光學(xué)畸變。圖1為現(xiàn)有的一種投影式頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。請參考圖1，投影式頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)包括微顯示器2、投影物鏡3、分光鏡5、 以及逆反射屏4。微顯示器2和分光鏡5分設(shè)于投影物鏡3的光軸上，并位于投影物鏡3兩 側(cè)，分光鏡5的分光面與所述投影物鏡3的光軸成45°角設(shè)置。逆反射屏4設(shè)置于與投影 物鏡3的光軸垂直的軸上，分光鏡5的分光面也同時與該軸呈45°角。工作時，微顯示器2上的圖像經(jīng)過投影物鏡3后成像，所成的像經(jīng)分光鏡5的轉(zhuǎn)像 作用，該像被投射在投影像1的位置。而由于逆反射屏4的反射，成像的光線又被反射回分 光鏡5，并透過分光鏡5到達出瞳6處。在出瞳6處觀察即可看到微顯示器顯示的圖像了。圖2為上述的投影式頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)的一種投影物鏡的示意圖。如圖2所 示，所述投影物鏡由物面至像面方向依次包括第一正透鏡3-1、第二正透鏡3-2、第一負透 鏡3-3，第二負透鏡3-8、第四正透鏡3-6和第五正透鏡3-7。其中，上述所有透鏡的光軸同 軸。所述第一正透鏡3-1和第二正透鏡3-2為彎月形，凸起面朝向物面，所述第一負透鏡3-3 也為彎月形，凸起面朝向物面。所述第一負透鏡3-3和第二正透鏡3-2之間具有空氣間隙。 所述第二負透鏡3-8為雙膠合透鏡，其凸起面朝向像面一側(cè)，包括一負透鏡3-4和一正透鏡 3-5。所述第四正透鏡3-6為彎月形透鏡，其凸起面也朝向像面一側(cè)。所述第五正透鏡3-7 為雙凸透鏡。上述的投影物鏡為單純的折射投影系統(tǒng)，而且包含多片透鏡，使得整個投影物鏡 的體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有必要對其進一步的改進。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種應(yīng)用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，本發(fā)明的投影物鏡結(jié)構(gòu) 較為簡單，體積較小。本發(fā)明還提供一種投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)及應(yīng)用該系統(tǒng)的頭盔顯示裝置。本發(fā)明提供的一種用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，包括依次設(shè)置的、同光 軸的第一折射透鏡、第二折射透鏡、第三折射透鏡和第四折射透鏡；所述四個折射透鏡之間 具有間隙；
在所述第二正透鏡和第三正透鏡之間還設(shè)置有衍射元件?？蛇x的，所述四個折射透鏡均為彎月形正透鏡；且所述第一折射透鏡和第二折射透鏡的凹形面朝向相同，所述第三折射透鏡和第 四折射透鏡的凹形面朝向相同，且所述第一折射透鏡、第二折射透鏡的凹形面與第三折射 透鏡、第四折射透鏡的凹形面相對設(shè)置?？蛇x的，所述折射透鏡之間的間隙為空氣或其介質(zhì)。優(yōu)選的，所述衍射元件為單層衍射元件或雙層衍射元件，優(yōu)選的，所述衍射元件為雙層衍射元件；所述雙層衍射元件包括一側(cè)設(shè)置有周期性凸凹微雕結(jié)構(gòu)的第一透射元件和第二 透射元件；兩透射元件的凸凹微雕結(jié)構(gòu)具有相同的凸凹周期；所述第一透射元件和第二透射元件設(shè)置有凸凹微雕結(jié)構(gòu)一側(cè)相對設(shè)置，且兩微雕 結(jié)構(gòu)的凸起與凸起相對，凹陷與凹陷相對?？蛇x的，所述第一透射元件和第二透射元件的與凸凹微雕結(jié)構(gòu)相對的一側(cè)面為平 面、球面或者非球面弧形面。可選的，第一透射元件的凹陷深度凡=-2氣隨丨)]—‘隨』}-
^02 Vn\ (Λ)2 )]眾01 η2 (Λ)Ι )1 —眾01JArvOl弟一透射兀件的凹陷深度"2 - , r Λ r ΛΛι \ ^ ΛΜ χ ^
Kl [η\ (義02 η2 (Λη )] 一 kOI Υη\ (Λ)1 )] 02 (Λ)2 )J其中，Ii1 ( λ J和ηι ( λ 02)所述第一透射元件在設(shè)計波長分別為λ μ和λ 02時的 折射率；η2 ( λ 01)和η2 ( λ 02)所述第二透射元件在設(shè)計波長分別為λ Μ和λ 02時的折射率； k01和k02為波數(shù)。可選的，所述第一透射元件和第二透射元件的材質(zhì)分別為TOD1和FD6?？蛇x的，在設(shè)計兩波長分別為400nm和700nm時，所述H1 = 10. 9um, H2 = 5. 9um?？蛇x的，所述第一透射元件和第二透射元件的材質(zhì)分別為SF6和Sk52，或者分別 為 Ge 禾口 ZnSe0本發(fā)明還提供一種投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)，包括上述任一技術(shù)方案所述的投影物
^Mi ο本發(fā)明還提供一種投影式頭盔顯示裝置，包括所述的投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的投影物鏡，相對于現(xiàn)有的投影物鏡，光學(xué)元件的數(shù)目減 少，結(jié)構(gòu)簡單，有利于使得整投影物鏡整體體積減小，重量減輕。優(yōu)選的，本發(fā)明的投影物鏡的衍射元件為雙衍射元件，使得包含該雙層衍射元件 的光學(xué)系統(tǒng)可應(yīng)用于可見光范圍的頭盔顯示器中，實現(xiàn)在可見光范圍內(nèi)觀察時，具有較高 的衍射效率；從而可有效提高像面的對比度以及真實性；能夠滿足頭盔式顯示裝置在虛擬 顯示和可視化訓(xùn)練中的使用要求。
圖1為現(xiàn)有的一種投影式頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖2為圖1所示的投影式頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)的一種投影物鏡的示意圖3為本發(fā)明的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡的實施例的示意圖；圖4為應(yīng)用于圖3所示的實施例中的雙層衍射元件的示意圖。
具體實施例方式在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以 很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況 下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施的限制。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡進行詳細描述。圖3為本發(fā)明的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡的實施例的示意圖。請參考圖3，本發(fā)明的實施例的投影物鏡包括5個光學(xué)組件，由物至像的方向依次 為第一折射透鏡7-1、第二折射透鏡7-2、衍射元件7-5、第三折射透鏡7-3和第四折射透鏡 7-4。所述四個折射透鏡同光軸設(shè)置。雙層衍射元件7-5設(shè)置于所述的光軸之上。在上述 的五個光學(xué)組件之間設(shè)置有一定的間隙，該間隙可以是空氣間隙，也可以填充介質(zhì)。所述的第一折射透鏡7-1、第二折射透鏡7-2、第三折射透鏡7-3和第四折射透鏡 7-4均為彎月形正透鏡。請繼續(xù)參考圖3，所述第一折射透鏡7-1具有相對的凸形面7-la 和凹形面7-lb，所述第二折射透鏡7-2具有相對的凸形面7-2a和凹形面7_2b ；所述第三折 射透鏡7-3具有相對的凸形面7-3a和凹形面7-3b ；所述第四折射透鏡7_4具有相對的凸 形面7-4a和凹形面7-4b。所述第一折射透鏡7-1的凹形面7-lb和第二折射透鏡7-2的凹形面7_2b朝向相 同；所述第三折射透鏡7-3的凹形面7-3b和第四折射透鏡7-4的凹形面7-4b朝向相同，且 所述第一折射透鏡7-1、第二折射透鏡7-2的凹形面與第三折射透鏡7-3、第四折射透鏡7-4 的凹形面相對設(shè)置。所述的第一折射透鏡7-1和第四折射透鏡7-4分設(shè)于該投影物鏡的兩側(cè)，用于校 正該投影物鏡的球差；所述第二折射透鏡7-2和第三折射透鏡7-3凹形面相對設(shè)置，并設(shè)置 于第一折射透鏡7-1和第四折射透鏡7-4的內(nèi)側(cè)，用于消除該投影物鏡的場曲。所述四個 折射透鏡的材質(zhì)以及各個凹形面、凸形面的曲率半徑可以根據(jù)實際的需要進行設(shè)計，這里 不再展開敘述。衍射元件7-5設(shè)置于第二折射透鏡7-2和第三折射透鏡7-3之間，用于矯正該系 統(tǒng)的位置色散。如圖3所示。所述衍射元件7-5可以是單層衍射元件，即僅有一個衍射光學(xué)元件構(gòu)成。但是，單 層衍射元件由于僅對單一波長的光響應(yīng)，即在設(shè)計波長處衍射效率較高，而在波長由設(shè)計 波長向兩側(cè)偏離時，衍射光學(xué)元件的主衍射級次的衍射效率逐漸下降，而次衍射級次的衍 射能量會彌散在主衍射級次的像面上，從而影響像面的對比度。故而單層衍射元件的光學(xué) 系統(tǒng)僅僅適用于窄波段。為克服單層衍射元件的光學(xué)系統(tǒng)僅僅適用于窄波段的問題，所述的衍射元件也可 以為雙層衍射元件。即包含兩個衍射光學(xué)元件。圖4為本實施例中的一種雙層衍射元件的 示意圖。請參考圖4，雙層衍射元件7-5包括第一透射元件7-5-1和第二透射元件7_5_2 ； 且在兩透射元件的一側(cè)均設(shè)置有周期性凸凹微雕結(jié)構(gòu)；例如，在第一透射元件7-5-1的一側(cè)7-5-lb設(shè)置有凸凹微雕結(jié)構(gòu)，在第二透射元件7-5-2的一側(cè)7-5-2b設(shè)置有凸凹微雕結(jié) 構(gòu)。兩透射元件的凸凹微雕結(jié)構(gòu)具有相同的周期。具體的，所述凸凹微雕結(jié)構(gòu)可以為光柵 結(jié)構(gòu)，兩元件的光柵結(jié)構(gòu)具有相同的光柵周期。所述第一透射元件7-5-1的側(cè)邊7-5-lb和第二透射元件7_5_2的側(cè)邊7_5_2b相 對設(shè)置，并緊貼在一起。而且，在緊貼在一起時，兩側(cè)的微雕結(jié)構(gòu)的凸起相對，凹陷相對。在 所述第一透射元件7-5-1和第二透射元件7-5-2的凹陷區(qū)域可以填充介質(zhì)材料，也可以不 填充介質(zhì)，僅為空氣間隙。此外，所述第一透射元件7-5-1的側(cè)邊7-5-la和第二透射元件7_5_2的側(cè)邊 7-5-2a為與微雕結(jié)構(gòu)相對的一側(cè)，該側(cè)可以是平面，也可以是球面或者非球面弧形結(jié)構(gòu)。第一透射元件7-5-1和第二透射元件7-5-2的微雕結(jié)構(gòu)具有不同的深度，根據(jù)兩 透射元件響應(yīng)波長的不同，可以設(shè)置不同的深度。例如在確定兩透射元件的不同色散系數(shù) 的基底材料之后，可以得到兩透射元件的微雕結(jié)構(gòu)深度(即凹陷深度)分別為第一透射元件的凹陷深度.H1=-2氣[”2(管‘眺)]}-
K2 [nt (A02 )]k01 [n2 (^01)] - km [ηλ (A01 )]k02 [n2 (A02)]弟一透射兀件的凹陷深度"2- , Γ ,, Λ17 r, Γ ,, r ,, Λ1
02 K (Λ)2)訴01 VnI (Λι)] — ^01 [nt (/I01 )]k02 [η2 (A02)]其中，Ii1 (λ 01)和Ii1 (λ J所述第一透射元件7-5-1在設(shè)計波長分別為λ 01和A02 時的折射率;η2 ( λ 01)和η2 ( λ 02)所述第二透射元7-5-2件在設(shè)計波長分別為λ Μ和λ Q2時 的折射率；V和、為波數(shù)。也就是說，根據(jù)相應(yīng)波長的需要，選定兩衍射元件的基底材料之后，可以獲得兩透 射元件的凹陷深度。凹陷深度的大小以及基底材料決定了改雙層衍射元件對不同波長的響應(yīng)。例如，在設(shè)計的響應(yīng)波長為可見光光譜范圍時，即響應(yīng)波長分別為400nm和 700nm、第一透射元件7_5_1和第二透射元件7_5_2的材質(zhì)分別為TOD1和FD6時，所述H1 = 10. 9um, H2 = 5. 9um。即選擇FCD1和FD6作為基底材料,H1 = 10. 9um, H2 = 5. 9um作為微雕 結(jié)構(gòu)凹陷深度，則包含該雙層衍射元件的光學(xué)系統(tǒng)可應(yīng)用于可見光范圍的頭盔顯示器中， 實現(xiàn)在可見光范圍內(nèi)觀察時，具有較高的衍射效率。具體的，衍射效率可大于90%，從而可 以克服單層衍射元件的僅適用于窄波段的問題。此外，第一透射元件7-5-1和第二透射元件7-5-2的材質(zhì)也可以分別為SF6和 Sk52,或者分別為Ge和ZnSe。上述實施例中的投影物鏡，相對于現(xiàn)有的投影物鏡，光學(xué)元件的數(shù)目減少，結(jié)構(gòu)簡 化、有利于使得整投影物鏡整體體積減小，重量減輕；而且，對較大波長范圍的光具有較好 的響應(yīng)，使用波段范圍擴大，衍射效率也具有較大的提高，從而有效提高了像面的對比度以 及真實性。能夠滿足頭盔式顯示裝置在虛擬顯示和可視化訓(xùn)練中的使用要求。上述實施例的投影物鏡可以作為光學(xué)元件，應(yīng)用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)中，該光 學(xué)系統(tǒng)還可以應(yīng)用于投影式頭盔顯示裝置中，形成具有高對比度和逼真度的顯示裝置。本發(fā)明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技 術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動和修改，因此本發(fā)明的保 護范圍應(yīng)當以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準。
權(quán)利要求
一種用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，其特征在于包括依次設(shè)置的、同光軸的第一折射透鏡、第二折射透鏡、第三折射透鏡和第四折射透鏡；所述四個折射透鏡之間具有間隙；在所述第二正透鏡和第三正透鏡之間還設(shè)置有衍射元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述四個折射透鏡均為 彎月形正透鏡；且所述第一折射透鏡和第二折射透鏡的凹形面朝向相同，所述第三折射透鏡和第四折 射透鏡的凹形面朝向相同，且所述第一折射透鏡、第二折射透鏡的凹形面與第三折射透鏡、 第四折射透鏡的凹形面相對設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述折射透鏡之間的間 隙為空氣或其介質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，其特征在于 所述衍射元件為單層衍射元件或雙層衍射元件，
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，其特征在于 所述衍射元件為雙層衍射元件；所述雙層衍射元件包括一側(cè)設(shè)置有周期性凸凹微雕結(jié)構(gòu)的第一透射元件和第二透射 元件；兩透射元件的凸凹微雕結(jié)構(gòu)具有相同的凸凹周期；所述第一透射元件和第二透射元件設(shè)置有凸凹微雕結(jié)構(gòu)一側(cè)相對設(shè)置，且兩微雕結(jié)構(gòu) 的凸起與凸起相對，凹陷與凹陷相對。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，其特征在于所述第一 透射元件和第二透射元件的與凸凹微雕結(jié)構(gòu)相對的一側(cè)面為平面、球面或者非球面弧形面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，其特征在于弟一透射兀件的凹陷深度“! ~ U U Ci Μ7 Γ^TTTl~~7 Γ /1 Μ, ΓΓΓΤ,Kl [ 丨(Λ)2 )Foi (Λ)丨)]_ 眾01 ["ι (ΛI )]眾02 [ 2 (Λ)2 )]第二透射元件的凹陷深度·巧=-2^οιΚμο,)]-^Κ(Λ2)]}-Kl ["ι (Λ2 [ 2 (Λπ K (Λ )]^02 (Λ)2 )]其中，H1(Xcil)和IllUJ所述第一透射元件在設(shè)計波長分別為λΜ和λ μ時的折射 率；η2 ( λ 01)和η2 ( λ 02)所述第二透射元件在設(shè)計波長分別為λ Μ和λ 02時的折射率；V和 k02為波數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，其特征在于所述第 一透射元件和第二透射元件的材質(zhì)分別為TOD1和FD6。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，其特征在于在設(shè)計 兩波長分別為400nm和700nm時，所述H1 = 10. 9um, H2 = 5. 9um。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，其特征在于所述第 一透射元件和第二透射元件的材質(zhì)分別為SF6和Sk52，或者分別為Ge和ZnSe。
11.一種投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括上述權(quán)利要求1至10任一所述的投 影物鏡。
12.一種投影式頭盔顯示裝置，其特征在于包括所述權(quán)利要求10所述的投影式頭盔 光學(xué)系統(tǒng)。
全文摘要
一種用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，包括依次設(shè)置的、同光軸的第一折射透鏡、第二折射透鏡、第三折射透鏡和第四折射透鏡；所述四個折射透鏡之間具有間隙；在所述第二正透鏡和第三正透鏡之間還設(shè)置有衍射元件。本發(fā)明的投影物鏡結(jié)構(gòu)較為簡單，體積較小。本發(fā)明還提供一種投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)及應(yīng)用該系統(tǒng)的頭盔顯示裝置。
文檔編號G02B13/00GK101907764SQ201010242950
公開日2010年12月8日 申請日期2010年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月3日
發(fā)明者任志君, 應(yīng)朝福, 王輝, 范長江 申請人:浙江師范大學(xué)