專利名稱：可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)。
背景技術：
可透視型頭戴式顯示器是常用于擴增實境的顯示器裝置。通過使用該裝置，人們既可以看到顯示器面板上的虛擬信息，又可以同時看到現(xiàn)實場景。目前，專業(yè)性的頭戴式顯示器具有視野廣和圖像質(zhì)量高的優(yōu)點，但缺點在于體積大而笨重且價格昂貴。近年來，谷歌公司和蘋果公司也各自開發(fā)了一些消費類的頭戴式顯示器。美國專利US7675684B1公開了ー種緊湊型瞳孔成像光學系統(tǒng)，其結構包括光源、照明透鏡組、偏振片、透射/反射偏振裝置、中繼透鏡、內(nèi)表面鍍膜反射鏡和目鏡。該專利文獻提供的是ー種折合式偏振光學系統(tǒng)，僅通過方體透鏡來透視，可透視范圍與虛擬圖像的觀看范圍是相同的。美國專利申請US2010/0290127A1公開了ー種可透視光學系統(tǒng)，其結構包括圖像顯示器面板、與顯示器面板光學耦合的正場透鏡、在成像路徑中的曲面鏡表面以及導引光路方向的光束分離器。該光學系統(tǒng)只能獲得低成像質(zhì)量；通過使用場鏡和曲面鏡表面來校正光學像差。該光學系統(tǒng)也通過方體透鏡來透視，可透視范圍與虛擬圖像的觀看范圍是相同的。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的就是為了克服現(xiàn)有技術的不足，提供ー種結構緊湊、重量輕、圖像質(zhì)量高且透視視野范圍廣的可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用以下技術方案:一種可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)，具有至少ー個顯示器模塊，所述顯示器模塊包括:用于提供圖像供使用者觀看的顯示器面板及為其所配備的光源；與所述顯示器面板相連的控制単元；光學結構，所述光學結構包括ー個方體透鏡、一個凸透鏡面和ー個接合而成(cemented)的成像透鏡組,其中所述方體透鏡包括兩個相接合的直角棱鏡和設置在兩直角棱鏡之間的部分透反分光膜和/或偏振膜；所述凸透鏡面具有鏡面膜或部分反射膜，且所述凸透鏡面設置在所述方體透鏡的第一表面，其中所述方體透鏡和所述凸透鏡面經(jīng)設置以將來自所述顯示器面板并經(jīng)過所述成像透鏡組的光線導向使用者的眼睛；且所述成像透鏡組經(jīng)設置與所述方體透鏡的第二表面相接，且所述成像透鏡組經(jīng)設置以沿著所述光線的光學路徑校正光學像差，所述成像透鏡組和所述方體透鏡一同提供供外部光線進入使用者的眼睛的可透視區(qū)。本實用新型可進ー步采用以下一些技術方案:[0014]所述成像透鏡組的與所述方體透鏡的第二表面相接的面的尺寸與所述方體透鏡的第二表面相當。所述成像透鏡組被成型為長方體或者立方體。所述成像透鏡組面向使用者眼睛的前表面和后表面至少ー者拋光成光滑面。所述接合而成的成像透鏡組包括至少兩個透鏡，且所述至少兩個透鏡具有實質(zhì)上相同的折射率，但具有不相同的阿貝數(shù)。所述方體透鏡的折射率等于或小于與之相鄰的成像透鏡組中的第一透鏡，所述成像透鏡組中的第一透鏡的折射率等于或小于與之相鄰的成像透鏡組中的第二透鏡。所述方體透鏡、所述凸透鏡面與所述接合而成的成像透鏡組是同心的。所述方體透鏡、凸透鏡面與使用者的瞳孔中心是同心的。所述凸透鏡面由平凸透鏡(plano-convex lens)形成。所述光學系統(tǒng)還包括殼體，所述顯示器面板和所述控制単元安裝在所述殼體中，所述成像透鏡組與所述殼體相連且至少一部分暴露在所述殼體外。所述光學系統(tǒng)包括作為支撐體的眼鏡框，所述殼體安裝在所述眼鏡框的側部。本實用新型的有益技術效果:方體透鏡、凸透鏡面和成像透鏡組形成相接合的緊湊的光學結構，人眼通過接合而成的方體透鏡看到虛擬圖像，并通過方體透鏡以及接合而成的成像透鏡組看到現(xiàn)實場景。由于使用者不僅可以透過方體透鏡觀察，還可以透過接合而成的成像透鏡組，當使用透視功能觀看周圍事物時，外界光線阻擋較小。因此，本實用新型不僅能提供高圖像質(zhì)量，其可透視視野范圍也得到顯著增加，可透視的視野范圍大于虛擬畫面的視野范圍。在優(yōu)選的實施方案下，例如，通過成像透鏡組校正光學像差，將成像透鏡組的前后表面拋光，將成像透鏡組大體上暴露在殼體外部，可以獲得更高的圖像質(zhì)量，更好的可透視性及更廣的可透視視野范圍。

圖1為本實用新型一個實施例里的光學結構示意圖；圖2為本實用新型一個實施例里的光學結構示意圖；圖3為本實用新型一個實施例的使用示意圖；圖4a_4b和圖5a_5b為本實用新型兩種實施例的光學結構及其光路徑和可透視視野范圍示意圖；圖6表示本實用新型可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)的ー個實例圖。
具體實施方式
以下通過實施例結合附圖對本實用新型進行進一歩的詳細說明。請參閱圖1至圖6，在一些實施例里，可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)具有至少ー個顯示器模塊，所述顯示器模塊包括顯示器面板1、光源2、控制單元3和光學結構4，所述顯示器面板用于提供圖像供使用者觀看，控制單元與所述顯示器面板相連并控制顯示器面板，所述光學結構4包括ー個方體透鏡410、ー個凸透鏡面420和ー個接合而成(cemented)的成像透鏡組430，構成ー個緊湊且具有擴大可透視視野范圍的光學系統(tǒng)。[0034]所述方體透鏡410包括兩個相接合的直角棱鏡，兩直角棱鏡之間設置有部分透反分光膜(部分反射的元件形成)411和/或偏振膜。所述凸透鏡面420具有鏡面膜421或部分反射膜422，且所述凸透鏡面設置在所述方體透鏡的第一表面，其中所述方體透鏡和所述凸透鏡面經(jīng)設置以將來自所述顯示器面板并經(jīng)過所述成像透鏡組430的光線導向使用者的眼睛。所述成像透鏡組430經(jīng)設置與所述方體透鏡410的第二表面相接，且所述成像透鏡組經(jīng)設置以沿著所述光線的光學路徑校正光學像差，所述成像透鏡組和所述方體透鏡ー同提供供外部光線進入使用者的眼睛8的可透視區(qū)200。所述方體透鏡提供觀看虛擬圖像的視野區(qū)100。如圖4b和圖5b所示，所述光學結構允許使用者同時從由接合而成的成像透鏡組和方體透鏡的邊緣所界定的范圍觀察周圍環(huán)境。優(yōu)選地，所述成像透鏡組的與所述方體透鏡的第二表面相接的面的尺寸與所述方體透鏡的第二表面相當。優(yōu)選地，所述成像透鏡組可以是長方體或者立方體?？梢圆捎们懈罘绞匠尚?。優(yōu)選地，可將所述成像透鏡組面向使用者眼睛的前表面431和后表面432至少ー者拋光成光滑面，以增強可透視性。優(yōu)選地，所述接合而成的成像透鏡組包括至少兩個透鏡，且所述至少兩個透鏡具有實質(zhì)上相同的折射率，但具有不相同的阿貝數(shù)。如圖所示，成像透鏡組包括三個透鏡433、434、435。更優(yōu)選地，所述方體透鏡的折射率等于或小于與之相鄰的成像透鏡組中的第一透鏡433，所述成像透鏡組中的第一透鏡433的折射率等于或小于與之相鄰的成像透鏡組中的第二透鏡434。優(yōu)選地,所述凸透鏡面可由平凸透鏡(plano-convex lens)形成。所述凸透鏡面可包括涂布在所述平凸透鏡表面的部分反射膜或反射膜。如圖4a所示，在一些實施例里，所述方體透鏡、所述凸透鏡面與所述接合而成的成像透鏡組是同心的。由平凸透鏡形成的凸透鏡面設置在方體透鏡與成像透鏡組相接那ー面的相對面，即第一表面上，圖4b為光路示意圖。涂布在所述平凸透鏡表面的可以是反射膜。如圖5a所示，在另ー些實施例里，所述方體透鏡、凸透鏡面與使用者的瞳孔中心是同心的。由平凸透鏡形成的凸透鏡面設置在方體透鏡與人眼相對的較遠的那一面，即第一表面上，圖5b為光路示意圖。涂布在所述平凸透鏡表面的可以是部分反射膜。如圖6所示，優(yōu)選地，所述光學系統(tǒng)還可以包括殼體5，所述顯示器面板和所述控制単元安裝在所述殼體中。所述成像透鏡組與所述殼體相連且至少一部分暴露在所述殼體外，此舉確保成像透鏡組提供可透視視野范圍。如圖6所示，在ー種具體實例里，所述光學系統(tǒng)包括作為支撐體的眼鏡框6，所述殼體安裝在所述眼鏡框的側部。沿著眼鏡腿方向延伸可設置PCB面板7。光源2可采用白光LED,其可設置在殼體5里面。顯示器面板可以采用LCoS模組、IXD模組或自發(fā)光器件(如OLED等)。根據(jù)ー種具體實例的可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)，具有如下光學性能參數(shù):[0051]光學體積為48mm(長)*l5mm(寬)*l5mm(高)；重量小于25克；圖像質(zhì)量:調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF) >0.5i401ps/mm ；以上內(nèi)容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本實用新型所作的進ー步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只局限于這些說明。對于本實用新型所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)，其特征在干，具有至少ー個顯示器模塊，所述顯示器模塊包括: 用于提供圖像供使用者觀看的顯示器面板及為其所配備的光源； 與所述顯示器面板相連的控制単元； 光學結構，所述光學結構包括ー個方體透鏡、一個凸透鏡面和ー個接合而成的成像透鏡組，其中 所述方體透鏡包括兩個相接合的直角棱鏡和設置在兩直角棱鏡之間的部分透反分光膜和/或偏振膜； 所述凸透鏡面具有鏡面膜或部分反射膜，且所述凸透鏡面設置在所述方體透鏡的第一表面，其中所述方體透鏡和所述凸透鏡面經(jīng)設置以將來自所述顯示器面板并經(jīng)過所述成像透鏡組的光線導向使用者的眼睛；且 所述成像透鏡組經(jīng)設置與所述方體透鏡的第二表面相接，且所述成像透鏡組經(jīng)設置以沿著所述光線的光學路徑校正光學像差，所述成像透鏡組和所述方體透鏡一同提供供外部光線進入使用者的眼睛的可透視區(qū)。
2.如權利要求1所述的可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)，其特征在干，所述成像透鏡組的與所述方體透鏡的第二表面相接的面的尺寸與所述方體透鏡的第二表面相當。
3.如權利要求1所述的可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)，其特征在干，所述成像透鏡組被成型為長方體或者立方體。
4.如權利要求1所述的可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)，其特征在干，所述成像透鏡組面向使用者眼睛的前表面和后表面至少ー者拋光成光滑面。
5.如權利要求1至4任一項所述的可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)，其特征在干，所述接合而成的成像透鏡組包括至少兩個透鏡，且所述至少兩個透鏡具有實質(zhì)上相同的折射率，但具有不相同的阿貝數(shù)。
6.如權利要求5所述的可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)，其特征在干，所述方體透鏡的折射率等于或小于與之相鄰的成像透鏡組中的第一透鏡，所述成像透鏡組中的第一透鏡的折射率等于或小于與之相鄰的成像透鏡組中的第二透鏡。
7.如權利要求1至4任一項所述的可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)，其特征在干，所述方體透鏡、所述凸透鏡面與所述接合而成的成像透鏡組是同心的。
8.如權利要求1至4任一項所述的可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)，其特征在干，所述方體透鏡、凸透鏡面與使用者的瞳孔中心是同心的。
9.如權利要求1至4任一項所述的可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)，其特征在干，所述凸透鏡面由平凸透鏡(plano-convex lens)形成。
10.如權利要求1至4任一項所述的可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)，其特征在干，還包括殼體，所述顯示器面板和所述控制単元安裝在所述殼體中，所述成像透鏡組與所述殼體相連且至少一部分暴露在所述殼體外。
11.如權利要求10所述的可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)，其特征在干，包括作為支撐體的眼鏡框，所述殼體安裝在所述眼鏡框的側部。
專利摘要一種可透視型頭戴式顯示器光學系統(tǒng)，包括光學結構，所述光學結構包括方體透鏡、凸透鏡面和接合而成的成像透鏡組，所述方體透鏡包括兩個相接合的直角棱鏡和部分透反分光膜和/或偏振膜；所述凸透鏡面具有鏡面膜或部分反射膜，所述方體透鏡和所述凸透鏡面經(jīng)設置以將來自所述顯示器面板并經(jīng)過所述成像透鏡組的光線導向使用者的眼睛；且所述成像透鏡組經(jīng)設置以沿著所述光線的光學路徑校正光學像差，所述成像透鏡組和所述方體透鏡一同提供供外部光線進入使用者的眼睛的可透視區(qū)。該光學系統(tǒng)的結構緊湊、重量輕、圖像質(zhì)量高且透視視野范圍廣。
文檔編號G02B27/01GK202948204SQ20122067305
公開日2013年5月22日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權日2012年12月7日
發(fā)明者吳昌力, 劉穎 申請人:香港應用科技研究院有限公司