[发明专利]基于球面棱镜的头戴显示器的光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是光学系统和器件设计领域，适用于虚拟现实与增强现实领域。

背景技术

头盔显示器（Head Mounted Display，简称HMD）分为半投型与全投型，它能将小型二维显示器所产生的图像经由光学系统放大，将准直图像显示到无穷远或是足够远的地方，成几米之外数十米的屏幕效果。由于头戴显示装置安装在观察者的头部，因此它必须紧凑和轻量化，以减轻观察者的负载。随着观察视场的增加，观察范围也会增加，观察者才能更全神贯注的观察优质的动态图像。对于头戴显示器系统而言，大视场也是相当重要的。光学系统的视场、出瞳直径，焦距三者之间是相互制约的关系，同时达到大视场、大出瞳直径和短焦距相当困难。

头盔显示器的种类很多，在结构上能实现最小轻量化的一般利用自由曲面棱镜的类型，由于自由曲面的加工难度较大，而且集合于一个棱镜上，使用加工基准难以确定，最终加工误差较大。

美国专利Pat.No.5，959，780和6，292，301，利用自由曲面棱镜(Free-Form surface Prism，FFSM)改进HMD光学系统，解决了光学系统对视场角、出瞳距离的要求与小型轻量化之间的矛盾。但由于FFSM光学系统仅使用一种玻璃材料，无法校正色差，实现宽波段显示。

中国专利CN 102012563A公开了一种基于自由曲面棱镜的头盔显示器光学系统，其在FFSM的基础上引入二元光学元件，解决了一种玻璃无法校正色差的问题。但是，FFSM的加工本身就非常困难，如果再引入二元光学面，则加工起来极其困难，或者成本成倍增加，甚至无法实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是针对以上现在技术的不足，提供一种基于球面棱镜的头戴显示器光学系统，可实现彩色显示，能有效校正像差提高像质，适合虚拟现实或增加现实的头戴显示器光学系统。

本发明基于球面棱镜的头戴显示器光学系统至少由一个球面棱镜、一块球面透镜、一块微型显示器组成，微型显示器所发出的光依次经过球面透镜、球面棱镜后准直入射到人眼瞳孔中，从人眼瞳孔处到微型显示器方向来看，光依次经过球面棱镜的第一表面、第二表面、第一表面、第三表面，再进入球面透镜的第一表面、第二表面，最后到达微型显示器；球面棱镜第一表面为凹面形状的透射面；球面棱镜第二表面为凹面形状的反射面，起放大图像的作用，外侧镀有反射层；球面棱镜第三表面为凹面形状的透射面；球面透镜为单透镜；球面棱镜与球面透镜的各个光学面均为球面。

作为本发明的进一步改进，所述的微型显示器为0.59至0.63英寸的微型显示器。

作为本发明的进一步改进，所述的微型显示器为有机电致发光显示器。

作为本发明的进一步改进，所述的球面棱镜，从人眼瞳孔处到微型显示器方向来看，光从球面棱镜第二表面到达第一表面后全部发生全反射。

作为本发明的进一步改进，所述的球面棱镜的三个球面均两两不同心。

作为本发明的进一步改进，所述的球面棱镜所使用材料为PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）或PS（聚苯乙烯）。

作为本发明的进一步改进，所述的球面透镜所使用的材料与球面棱镜的不同，为光学玻璃。

作为本发明的进一步改进，当像面位于无穷远时，头盔显示器的角分辨率为：

θ=min[2tgω2m,2tgv2n]]]>

式中:ω、v 分别为垂直和水平方向的全视场角; m 、n分别是图像源有效显示面(方形4∶3) 上的水平和垂直方向的像素数。若选择图像源水平和垂直方向的像素数为800×600 ，像素间距为2.4μm。由上式计算得到系统对应的角分辨率为0. 7 7mrad ，接近人眼的最小分辨率0. 5 mrad。若把头盔显示器光学系统的有效焦距设计为30 mm ，此时角分辨率相匹配的光学系统的空间频率应达到30 lp/ mm。