[发明专利]一种光学透射投影式立体头盔显示器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学透射投影式立体头盔显示光学系统，特别适合于虚拟现实或增强现实系统。

背景技术

英国发明家Charles Wheat stone爵士在1838年发明了第一台基于视差原理的3D立体观屏器，但当时照片还没有发明出来，使用的手工画出来的图片。1859年Oliver Wendel Holmes改进了Joseph Bates的专利，发明了手持袖珍型观屏器，其原理一直流行到今天。由于长期以来立体观屏器的所观察的图像为图片，无法连续播放立体图像，其使用受到了一定的限制。头盔显示技术的立体视觉也是基于这一原理的。

图片显示的优势在于其尺寸可以做的比较大，由于是纸质，分辨率可以比较高，因此目视光学系统的结构可以很简单，同时无需驱动，整体质量轻。头盔显示技术的发展长期以来受到了显示技术制约。以往微显示器尺寸大，分辨率很低，无法实现紧凑型高清头盔显示器。同时因为是双目显示，微显示器的尺寸不能够太大，如果其尺寸大于双目间的距离，就会发生结构上的碰撞冲突而无法安放。另外一方面就是分辨率太低容易造成用户的视疲劳。现有的微显示器向着超小型高分辨率的方向发展，对系统的小型化具有重要的意义，但是显示器的小型化无疑大大增加了光学系统的设计难度，一方面是光学系统的有效焦距不断变小，视场要求很大，而要求的光阑直径比一般目镜的要大，需要8-13mm，这两方面的因素使系统的F数很小，设计难度大。

用传统旋转对称的光学系统难以实现光学透射式结构，即使能够实现，系统的重量很大，视场小。因此科学家们提出了投影式头盔显示器技术，该投影技术结合采用了投影式透镜结构和具有光路回返功能的返射屏(光路原光路返回，改屏表面由微角锥阵列组成)。该技术需要在环境表面预先贴上返射屏，通过投影物镜透射出的光线经过返射屏原光路返回最终进入人眼。因此可以实现小畸变大视场的头盔显示器。但是其缺点在于需要在使用环境下事先在环境表面上贴上一层返射屏，否则将看不到虚拟图像。为此近期Rolland教授等人提出了一种将返射屏集成到头盔显示器中的设计方案，但是由于返射屏离人眼太近是衍射效应非常明显，导致成像效果十分不理想。

现有旋转对称式结构头盔显示器存在的问题：

1.大的微型显示器不容易购买，且分辨率不高，高端尺寸较大的显示器价格十分昂贵；

2.不利于实现光学透射式头盔显示器；

3.大的微型显示器可能会发生结构上的物理碰撞；

4.大的微型显示器质量大；

5.为了减轻目镜质量采用非球面塑料玻璃设计。与传统投影式头盔显示器的不同之处在于：

1.所成中间像为实像，不采用回返屏，因此不会产生因为由于离回返屏太近而产生的衍射效应，导致成像模糊。

2.无需在使用环境下预先在物体表面贴上回返材料，可在特殊环境中的使用。

3.投影屏幕可以比较大，即使尺寸比双目间距大，也不会发生物理碰撞，可以通过分时复用的方式投影图像，实现立体视觉。

发明内容

传统旋转对称式结构难以实现大视场光学透射式头盔显示器。传统投影式头盔显示器虽然能够实现大视场光学透射式头盔显示器，但是需要在物体表面贴上返射材料，如果将其与头盔显示器集成一体，成像质量因返射材料的衍射效应会受到很大的影响。

为了解决传统旋转对称光学系统难于实现光学透射式大视场头盔显示器的问题，为了有效解决大显示器会发生物理结构的碰撞问题，为了解决现有投影式头盔显示器中投影系统离返射屏距离太近时成像不清晰的问题。本发明提出一种投影式的头盔显示器系统。由近距微投影系统、分光镜和散射屏组成。近距微投影系统的结构比较巧妙。它由目镜和投影物镜共同构成。透镜组2即充当目镜的作用，也是近距微投影系统的一部分。这样保证投影系统投射到屏幕上的像是清晰的实像。而成在散射屏幕上的图像经过目镜起到放大的作用，经过半反半透镜反射进入人眼，同时将图像成在较远的地方。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

附图1中的5为微显示器，4为近距微投影显示系统的后端成像部分，3为半反半透镜，2为目镜，也是近距微投影显示系统的前端显示部分。1为散射屏幕，近距微投影系统将在上面成实像。7为实际观察到图像所处的位置。光线经由微显示器发出，经过近距微投影系统的后端镜头，透过到以45度角安装的半反半透镜到达近距微投影系统的前端透镜最终成像在散射投影屏上，在投影屏上的图像再次经过目镜在半反半透镜上反射最终进入人眼。

图1是本发明的光学装置的结构原理图。