專利名稱：基于球面棱鏡的頭戴顯示器的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是光學(xué)系統(tǒng)和器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，適用于虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
頭藍(lán)顯示器(Head Mounted Display,簡(jiǎn)稱HMD)分為半投型與全投型,它能將小型二維顯示器所產(chǎn)生的圖像經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)放大，將準(zhǔn)直圖像顯示到無(wú)窮遠(yuǎn)或是足夠遠(yuǎn)的地方，成幾米之外數(shù)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(fù)載。隨著觀察視場(chǎng)的增加，觀察范圍也會(huì)增加，觀察者才能更全神貫注的觀察優(yōu)質(zhì)的動(dòng)態(tài)圖像。對(duì)于頭戴顯示器系統(tǒng)而言，大視場(chǎng)也是相當(dāng)重要的。光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)、出瞳直徑，焦距三者之間是相互制約的關(guān)系，同時(shí)達(dá)到大視場(chǎng)、大出瞳直徑和短焦距相當(dāng)困難。頭盔顯示器的種類很多，在結(jié)構(gòu)上能實(shí)現(xiàn)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(gè)棱鏡上，使用加工基準(zhǔn)難以確定，最終加工誤差較大。美國(guó)專利Pat. No. 5，959，780 和 6，292，301，利用自由曲面棱鏡(Free-Formsurface Prism,FFSM)改進(jìn)HMD光學(xué)系統(tǒng)，解決了光學(xué)系統(tǒng)對(duì)視場(chǎng)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(xué)系統(tǒng)僅使用一種玻璃材料，無(wú)法校正色差，實(shí)現(xiàn)寬波段顯示。中國(guó)專利CN 102012563A公開了一種基于自由曲面棱鏡的頭藍(lán)顯不器光學(xué)系統(tǒng)，其在FFSM的基礎(chǔ)上引入二元光學(xué)元件，解決了一種玻璃無(wú)法校正色差的問(wèn)題。但是，F(xiàn)FSM的加工本身就非常困難，如果再引入二元光學(xué)面，則加工起來(lái)極其困難，或者成本成倍增力口，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就是針對(duì)以上現(xiàn)在技術(shù)的不足，提供一種基于球面棱鏡的頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)彩色顯示，能有效校正像差提高像質(zhì)，適合虛擬現(xiàn)實(shí)或增加現(xiàn)實(shí)的頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明基于球面棱鏡的頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)至少由一個(gè)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(fā)出的光依次經(jīng)過(guò)球面透鏡、球面棱鏡后準(zhǔn)直入射到人眼瞳孔中，從人眼瞳孔處到微型顯示器方向來(lái)看，光依次經(jīng)過(guò)球面棱鏡的第一表面、第二表面、第一表面、第三表面，再進(jìn)入球面透鏡的第一表面、第二表面，最后到達(dá)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(cè)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(gè)光學(xué)面均為球面。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的微型顯示器為O. 59至O. 63英寸的微型顯示器。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的微型顯示器為有機(jī)電致發(fā)光顯示器。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的球面棱鏡，從人眼瞳孔處到微型顯示器方向來(lái)看，光從球面棱鏡第二表面到達(dá)第一表面后全部發(fā)生全反射。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的球面棱鏡的三個(gè)球面均兩兩不同心。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，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(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的球面透鏡所使用的材 料與球面棱鏡的不同，為光學(xué)玻璃。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，當(dāng)像面位于無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，頭盔顯示器的角分辨率為
Ca) Itlk V^tgy ZtgjΘ = min ^~~-
m η式中ω、ν分別為垂直和水平方向的全視場(chǎng)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?cái)?shù)。若選擇圖像源水平和垂直方向的像素?cái)?shù)為800X600，像素間距為2. 4μπι。由上式計(jì)算得到系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的角分辨率為O. 7 7mrad，接近人眼的最小分辨率O. 5 mrad。若把頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的有效焦距設(shè)計(jì)為30 mm，此時(shí)角分辨率相匹配的光學(xué)系統(tǒng)的空間頻率應(yīng)達(dá)到30 lp/ _。則光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入如表I所不表I光學(xué)設(shè)計(jì)輸入
有效焦距j約30mm
視場(chǎng)角25°
出瞳距21mm
出瞳直徑To^
波長(zhǎng)494 544nm，峰值520mm
分辨率30 lp/ mm時(shí)各視場(chǎng)均大于O. 3
亮度非均勻性^ 20%
畸變彡5%本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)I、由于所有光學(xué)元件的表面均使用球面，因此相對(duì)容易加工，節(jié)約加工時(shí)間與成本；2、由于使用了兩種光學(xué)材料，因此能有效校正光學(xué)系統(tǒng)色差，可以實(shí)現(xiàn)彩色顯示。通過(guò)下面的描述和示例，本發(fā)明的實(shí)施方式及其益處對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員將變得顯然。


圖I本發(fā)明的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖。圖2本發(fā)明的光學(xué)軟件模擬圖。
具體實(shí)施例目前應(yīng)用于頭盔顯示器的小型平板顯示器，包括有機(jī)電致發(fā)光顯示器(OLED)和液晶顯示器(LCD)。由于液晶顯示器顯示時(shí)需要背光，而且在零度以下工作時(shí)還需要增加溫控電路，導(dǎo)致顯示器功耗和體積增大，因此本實(shí)施例選擇OLED為顯示屏，其詳細(xì)參數(shù)如表2 表2 OLED屏參數(shù)
有效顯不面積 12mm X 9mn分辨率852X600
顯示亮度1500cd/m2
對(duì)比度不低于300:1
灰度等級(jí)256
工作溫度 -40 °C~+6 5 °C 波長(zhǎng)范圍 450-650nm如圖I及圖2所示，光軸垂直于OLED顯示屏10的像素面，且經(jīng)過(guò)其中心；球面透鏡20的第一表面22與第二表面21均為球面，兩表面不同心，通過(guò)偏心與傾斜來(lái)校正象散與場(chǎng)曲；球面棱鏡30的第一表面33、第二表面32、第三表面31均為球面,且三表面間兩兩不同心，光從球面透鏡20出射后先進(jìn)入球面棱鏡30的第三表面31，然后在球面棱鏡30的第一表面33上發(fā)生全反射而到達(dá)球面棱鏡30的第二表面32，經(jīng)球面棱鏡30的第一表面31進(jìn)行整形后到達(dá)人眼瞳孔40處。光學(xué)詳細(xì)參數(shù)如表3、表4所不表3光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)
I面型 j半徑[IS δpi^
物面球面 °°°°折射
光闌球面 °°15折射
2~ -293. 3 I. 36PMMA1^1
權(quán)利要求
1.一種基于球面棱鏡的頭戴顯示器的光學(xué)系統(tǒng)，其至少由一個(gè)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(fā)出的光依次經(jīng)過(guò)球面透鏡、球面棱鏡后準(zhǔn)直入射到人眼瞳孔中，其特征在于，從人眼瞳孔處到微型顯示器方向來(lái)看，光依次經(jīng)過(guò)球面棱鏡的第一表面、第二表面、第一表面、第三表面，再進(jìn)入球面透鏡的第一表面、第二表面，最后到達(dá)微型顯示器，所述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(cè)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(gè)光學(xué)面均為球面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于球面棱鏡的頭戴顯示器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的微型顯示器為有機(jī)電致發(fā)光顯示器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于球面棱鏡的頭戴顯示器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的微型顯示器為O. 59至O. 63英寸的微型顯示器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于球面棱鏡的頭戴顯示器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的球面棱鏡，從人眼瞳孔處到微型顯示器方向來(lái)看，光從球面棱鏡第二表面到達(dá)第一表面 后全部發(fā)生全反射。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4任一項(xiàng)所述的基于球面棱鏡的頭戴顯示器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述球面透鏡的第一表面與第二表面不同心。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于球面棱鏡的頭戴顯示器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的球面棱鏡的三個(gè)球面均兩兩不同心。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于球面棱鏡的頭戴顯示器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的球面棱鏡所使用材料為PMMA或PS。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于球面棱鏡的頭戴顯示器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的球面透鏡所使用的材料與球面棱鏡的不同，為光學(xué)玻璃。
全文摘要
一種基于球面棱鏡的頭戴顯示器的光學(xué)系統(tǒng)，其至少由一個(gè)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(fā)出的光依次經(jīng)過(guò)球面透鏡、球面棱鏡后準(zhǔn)直入射到人眼瞳孔中，從人眼瞳孔處到微型顯示器方向來(lái)看，光依次經(jīng)過(guò)球面棱鏡的第一表面、第二表面、第一表面、第三表面，再進(jìn)入球面透鏡的第一表面、第二表面，最后到達(dá)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(cè)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(gè)光學(xué)面均為球面。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于所有光學(xué)元件的表面均使用球面，容易加工，節(jié)約加工時(shí)間與成本。
文檔編號(hào)G02B27/01GK102692709SQ20121019961
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者楊新軍, 田永明, 董戴, 藍(lán)景恒, 陳國(guó)勝 申請(qǐng)人:中航華東光電有限公司