一種hmd投影顯示光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于光學(xué)投影顯示技術(shù)，特別是關(guān)于一種HMD投影顯示光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]頭戴式可視設(shè)備(Head Mount Display HMD)設(shè)備重量輕、較好的攜帶舒適度和高性能是當(dāng)前光學(xué)設(shè)計(jì)必不可少的要求，這些因素造成其光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的工作。HMD投影設(shè)備最早出現(xiàn)在軍事領(lǐng)域，可以實(shí)時(shí)顯示戰(zhàn)術(shù)信息，輔助目標(biāo)瞄準(zhǔn)識(shí)另IJ，還可用于夜視系統(tǒng)。隨著設(shè)計(jì)理念、制造水平和微顯示技術(shù)的不斷進(jìn)步，HMD投影設(shè)備越來(lái)越小型化，并逐漸進(jìn)入人們的日常生活，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于娛樂、模擬仿真訓(xùn)練、外科手術(shù)等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。HMD投影顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)圖像放大系統(tǒng)，微顯示器所產(chǎn)生的影像藉由光學(xué)系統(tǒng)放大，在人眼前一定距離處呈現(xiàn)一個(gè)放大的虛像，使用戶可以完全沉浸在虛擬的情境之中，也可以與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，形成一種拓展現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。目前關(guān)于HMD投影顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)的文獻(xiàn)中，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分析基本上采用的是傳統(tǒng)透鏡式或自由曲面/折衍混合結(jié)構(gòu)，第一種機(jī)構(gòu)多為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的目鏡結(jié)構(gòu)雖然光學(xué)性能可以接近衍射極限并較好地校正畸變，但是多組透鏡的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝調(diào)和加工要求精度高，體積重量也很大，長(zhǎng)時(shí)間佩戴會(huì)引起頸部疲勞，第二種自由曲面型結(jié)構(gòu)與折/混合式機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)較困難，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，而且元件的制作商比較少，價(jià)格昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種HMD投影顯示光學(xué)系統(tǒng)，以提高成像質(zhì)量，并減小體積、節(jié)省成本。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種HMD投影顯示光學(xué)系統(tǒng)，由物測(cè)至人眼側(cè)，所述的HMD投影顯示光學(xué)系統(tǒng)包括:Lc0S、PBS棱鏡、第一棱鏡及第二棱鏡；所述第二棱鏡為凸面棱鏡，一面為凸球面，與所述凸球面的相對(duì)的斜面上涂有半反半透膜；所述第二棱鏡通過所述半反半透膜與所述第一棱鏡的斜面膠合；
[0005]一面光源產(chǎn)生的光透過所述的PBS棱鏡后照射所述Lcos，產(chǎn)生圖像，所述圖像的光依次經(jīng)過所述PBS棱鏡的反射、所述第一棱鏡的透射、所述凸球面的反射及所述半反半透膜的反射進(jìn)入人眼；
[0006]位于所述第一棱鏡上方的外界景象透過所述第一棱鏡及第二棱鏡進(jìn)入所述人眼。
[0007]在一實(shí)施例中，所述PBS棱鏡由兩塊三棱鏡膠合而成，當(dāng)所述圖像的照射在所述PBS棱鏡上時(shí)，在兩塊所述三棱鏡的膠合面上發(fā)生反射。
[0008]在一實(shí)施例中，所述人眼的水平視場(chǎng)角為±10°，垂直視場(chǎng)角為±8.7°，所述水平視場(chǎng)角與所述垂直視場(chǎng)角的正切比值應(yīng)為16:9。
[0009]在一實(shí)施例中，所述人眼到所述第二棱鏡為15mm。
[0010]在一實(shí)施例中，所述第二棱鏡與所述第一棱鏡膠合后形成的膠合件偏心小于等于10';所述第一棱鏡及所述第二棱鏡的第一平行差為5'，第二平行差為10';所述第二棱鏡與所述第一棱鏡的厚度為9mm ;所述第二棱鏡與所述第一棱鏡的斜面的傾角為45°。
[0011 ] 在一實(shí)施例中，所述Lcos的像素為640 X 360，有效尺寸為8.448 X 4.752mm,對(duì)角線尺寸約為9.8mm。
[0012]在一實(shí)施例中，所述第一棱鏡為六面棱鏡，除所述第一棱鏡的斜面外，其余四個(gè)面均與底面相互垂直；所述半反半透膜的反射透射比為1:1、1:2或2:1 ;所述凸球面為非球面、二次曲面、自由曲面或球面中的一種。
[0013]在一實(shí)施例中，所述面光源產(chǎn)生的平行光經(jīng)所述PBS棱鏡后透過P光進(jìn)入所述Lcos,經(jīng)過所述Lcos調(diào)制之后出射S光的圖像，再次進(jìn)入所述PBS棱鏡后反射。
[0014]在一實(shí)施例中，所述人眼到所述Lcos的像面的光路總長(zhǎng)度小于60mm。
[0015]在一實(shí)施例中，所述第一棱鏡及第二棱鏡的光圈為5,局部光圈為0.5。
[0016]本發(fā)明實(shí)施例的有益效果在于，本發(fā)明的HMD投影顯示光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，棱鏡厚度小而且體積小、重量輕、光學(xué)成像質(zhì)量高、加工成本低。
【附圖說(shuō)明】
[0017]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0018]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的HMD投影顯示光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的圖像產(chǎn)生的光路示意圖；
[0020]圖3A為本發(fā)明實(shí)施例中垂直視場(chǎng)角為0°的垂軸像差特性曲線；
[0021]圖3B為本發(fā)明實(shí)施例中垂直視場(chǎng)角為8.7°的垂軸像差特性曲線；
[0022]圖3C為本發(fā)明實(shí)施例中垂直視場(chǎng)角為-8.7°的垂軸像差特性曲線；
[0023]圖3D為本發(fā)明實(shí)施例中垂直視場(chǎng)角為-7.07°的垂軸像差特性曲線；
[0024]圖3E為本發(fā)明實(shí)施例中垂直視場(chǎng)角為7.07°的垂軸像差特性曲線；
[0025]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的場(chǎng)曲和畸變特性曲線；
[0026]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的垂軸色差特性曲線；
[0027]圖6為本發(fā)明實(shí)施例的調(diào)制傳遞函數(shù)特性曲線MTF ；
[0028]圖7為本發(fā)明實(shí)施例的相對(duì)畸變示意圖；
[0029]圖8A為本發(fā)明實(shí)施例中垂直視場(chǎng)角為0°時(shí)的點(diǎn)列圖；
[0030]圖8B為本發(fā)明實(shí)施例中垂直視場(chǎng)角為8°時(shí)的點(diǎn)列圖；
[0031]圖8C為本發(fā)明實(shí)施例中垂直視場(chǎng)角為-8°時(shí)的點(diǎn)列圖；
[0032]圖8D為本發(fā)明實(shí)施例中垂直視場(chǎng)角為-7.07°時(shí)的點(diǎn)列圖；
[0033]圖8E為本發(fā)明實(shí)施例中垂直視場(chǎng)角為7.07°時(shí)的點(diǎn)列圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0035]本發(fā)明提供了一種HMD投影顯示光學(xué)系統(tǒng)，基于PBS偏振、反射、能量分束、光線合成、光路可逆原理，提高了光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量，降低了加工難度，縮小了光學(xué)系統(tǒng)尺寸，下面詳細(xì)說(shuō)明如下:
[0036]如圖1所示，本發(fā)明提供一種HMD投影顯示光學(xué)系統(tǒng)，由物測(cè)至人眼側(cè)，所述的HMD投影顯示光學(xué)系統(tǒng)包括:娃基液晶(Liquid Crystal on Silicon簡(jiǎn)稱Lcos) 7、PBS棱鏡、第一棱鏡3及第二棱鏡2。
[0037]第二棱鏡2為凸面棱鏡,一面為凸球面8,與凸球面的相對(duì)的一面為斜面9,斜面9上涂有半反半透膜。該第二棱鏡2通過半反半透膜與第一棱鏡3的斜面膠合，即第二棱鏡2與第一棱鏡3膠合在一起。膠合后可以在第二棱鏡2和PBS棱鏡之間傳遞光路、圖像。
[0038]凸球面8的設(shè)計(jì)如下:第二棱鏡2的一面鍍有內(nèi)反射膜，面型為非球面、二次曲面、自由曲面或球面中的一種，內(nèi)反射膜為金屬反射膜，反射率大于98%。
[0039]第二棱鏡2的凸球面8作為成像光路部分，通過凸面反射起匯聚光線放大圖像作用，相當(dāng)于成像于無(wú)窮遠(yuǎn)處。在人眼前方很小的距離處，人眼是看不清物體的，當(dāng)加入凸球面8后，人眼前的物體經(jīng)過半反半透凸面棱鏡出射平行光進(jìn)入人眼，相當(dāng)于無(wú)窮遠(yuǎn)處物體進(jìn)入人眼，人眼焦距變化范圍內(nèi)都可以看清物體。
[0040]一面光源6產(chǎn)生的光透過PBS棱鏡后照射Lcos7，產(chǎn)生圖像。圖2為圖像產(chǎn)生的光路的傳播路徑示意圖，如圖1及圖2所示，圖像的光依次經(jīng)過PBS棱鏡的反射、第一棱鏡3的透射、第二棱鏡2的凸球面8的反射及像差校正，最后經(jīng)過半反半透膜13的反射進(jìn)入人眼(即入瞳)1，此時(shí)人眼看到的為虛擬的景象。
[0041]如圖1所示，位于第一棱鏡3上方的外界景象透過第一棱鏡3及第二棱鏡2進(jìn)入人眼1，此時(shí)人眼看到的為現(xiàn)實(shí)的景象。
[0042]本發(fā)明的HMD投影顯示光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)采用光路可逆原理反向設(shè)計(jì)，外界景象發(fā)出的平行光進(jìn)過第二棱鏡2和第一棱鏡3的膠合進(jìn)人人眼，人眼可以看見外界景物。同時(shí)，Lcos7產(chǎn)生的像面產(chǎn)生的像面經(jīng)過PBS反射、第一棱鏡3的透射、第二棱鏡2的凸球面8的反射，最后經(jīng)過第二棱鏡2的半反半透膜的反射進(jìn)入人眼，這樣當(dāng)人眼看見外界無(wú)窮遠(yuǎn)物體的同時(shí)，也可以清晰地看到圖像源(Lc0S7)產(chǎn)生的圖像信息，實(shí)現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實(shí)的結(jié)入口 ο
[0043]為實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合，本發(fā)明的HMD投影顯示光學(xué)系統(tǒng)采用了半反半透凸面棱鏡和普通棱鏡的膠合(即第二棱鏡2與第一棱鏡3的膠合形成的膠合棱鏡)。為實(shí)現(xiàn)虛擬圖像可以進(jìn)入人眼，人眼能夠看清圖像，設(shè)計(jì)了膠合棱鏡；為模擬無(wú)窮遠(yuǎn)成像設(shè)計(jì)了第二棱鏡2的凸球面8。圖像生成部分，本發(fā)明的HMD投影顯示光學(xué)系統(tǒng)采用了 Lcos投影顯示技術(shù)，Lcos產(chǎn)生圖像需要均勻準(zhǔn)直光線照射和PBS棱鏡，因此設(shè)計(jì)了面光源，采用的是led加勻光導(dǎo)光板或者OLED背光源的方式，由于波段較寬入射角度較大，設(shè)計(jì)了 ZF2材料的PBS棱鏡。換句話說(shuō)，本發(fā)明的HMD投影顯示光學(xué)系統(tǒng)的光路中各個(gè)光學(xué)元件的功能如下:第二棱鏡2的半反半透面(半反半透膜所在的面)的作用是實(shí)現(xiàn)外界景物與圖像源的結(jié)合；凸球面8的作用是處理圖像相當(dāng)于成像于無(wú)窮遠(yuǎn)處，實(shí)現(xiàn)了放大和像差平衡的作用；第一棱鏡3的作用是實(shí)現(xiàn)光路的傳遞，同時(shí)實(shí)現(xiàn)人眼前光學(xué)元件厚度尺度最小化的要求，可以縮小空間，更容易佩戴，外觀上也較美觀。PBS棱鏡、面光源(Oled背光源或led導(dǎo)光板)6和Lcos7是像源生成模塊。
[0044]在一實(shí)施例中，PBS棱鏡由兩塊三棱鏡4、5膠合而成，當(dāng)圖像的光照射在PBS棱鏡上時(shí),在兩塊三棱鏡4、5的膠合面11上發(fā)生反射。
[0045]第二棱鏡2與第一棱鏡3膠合的方式可以有多種,在一實(shí)施例中,第二棱鏡2與第一棱鏡3通過光敏膠膠合在一起。需要注意的是，第二棱鏡2與第一棱鏡3進(jìn)行膠合時(shí),膠合面不得有氣泡灰塵與污潰。
[0046]在一實(shí)施例中，第二棱鏡2與第一棱鏡3膠合后形成的膠合件偏心小于等于10'，并且第一棱鏡3及第二棱鏡2的第一平行差均為5,，第二平行差均為10'。
[0047]在一實(shí)施例中，第二棱鏡2與第一棱鏡3的厚度為9mm。在第二棱鏡2及第一棱鏡3的設(shè)計(jì)中，第二棱鏡2及第一棱鏡3 —般需要小于10mm。
[0048]HMD投影顯示光學(xué)系統(tǒng)的邊緣視場(chǎng)在301p/mm空間頻率處的MT