[发明专利]一种HMD投影显示光学系统

说明书

技术领域

本发明是关于光学投影显示技术，特别是关于一种HMD投影显示光学系统。

背景技术

头戴式可视设备(HeadMountDisplayHMD)设备重量轻、较好的携带舒适度和 高性能是当前光学设计必不可少的要求，这些因素造成其光学系统的设计是一项非常 具有挑战性的工作。HMD投影设备最早出现在军事领域，可以实时显示战术信息， 辅助目标瞄准识别，还可用于夜视系统。随着设计理念、制造水平和微显示技术的不 断进步，HMD投影设备越来越小型化，并逐渐进入人们的日常生活，现已广泛应用 于娱乐、模拟仿真训练、外科手术等虚拟现实技术的各个领域。HMD投影显示设备 的光学系统是一个图像放大系统，微显示器所产生的影像藉由光学系统放大，在人眼 前一定距离处呈现一个放大的虚像，使用户可以完全沉浸在虚拟的情境之中，也可以 与现实相结合，形成一种拓展现实场景。目前关于HMD投影显示设备的光学系统的 文献中，对光学系统设计的分析基本上采用的是传统透镜式或自由曲面/折衍混合结 构，第一种机构多为旋转对称的目镜结构虽然光学性能可以接近衍射极限并较好地校 正畸变，但是多组透镜的结构复杂，装调和加工要求精度高，体积重量也很大，长时 间佩戴会引起颈部疲劳，第二种自由曲面型结构与折/混合式机构设计较困难，花费 时间较长，而且元件的制作商比较少，价格昂贵。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供了一种HMD投影显示光学系统，以提高成像质 量，并减小体积、节省成本。

为了实现上述目的，本发明提供了一种HMD投影显示光学系统，由物测至人眼 侧，所述的HMD投影显示光学系统包括：Lcos、PBS棱镜、第一棱镜及第二棱镜； 所述第二棱镜为凸面棱镜，一面为凸球面，与所述凸球面的相对的斜面上涂有半反半 透膜；所述第二棱镜通过所述半反半透膜与所述第一棱镜的斜面胶合；

一面光源产生的光透过所述的PBS棱镜后照射所述Lcos，产生图像，所述图像 的光依次经过所述PBS棱镜的反射、所述第一棱镜的透射、所述凸球面的反射及所 述半反半透膜的反射进入人眼；

位于所述第一棱镜上方的外界景象透过所述第一棱镜及第二棱镜进入所述人眼。

在一实施例中，所述PBS棱镜由两块三棱镜胶合而成，当所述图像的照射在所 述PBS棱镜上时，在两块所述三棱镜的胶合面上发生反射。

在一实施例中，所述人眼的水平视场角为±10°，垂直视场角为±8.7°，所述水平 视场角与所述垂直视场角的正切比值应为16：9。

在一实施例中，所述人眼到所述第二棱镜为15mm。

在一实施例中，所述第二棱镜与所述第一棱镜胶合后形成的胶合件偏心小于等于 10′；所述第一棱镜及所述第二棱镜的第一平行差为5′，第二平行差为10′；所述 第二棱镜与所述第一棱镜的厚度为9mm；所述第二棱镜与所述第一棱镜的斜面的倾 角为45°。

在一实施例中，所述Lcos的像素为640×360，有效尺寸为8.448×4.752mm，对 角线尺寸约为9.8mm。

在一实施例中，所述第一棱镜为六面棱镜，除所述第一棱镜的斜面外，其余四个 面均与底面相互垂直；所述半反半透膜的反射透射比为1:1、1:2或2:1；所述凸球面 为非球面、二次曲面、自由曲面或球面中的一种。

在一实施例中，所述面光源产生的平行光经所述PBS棱镜后透过P光进入所述 Lcos，经过所述Lcos调制之后出射S光的图像，再次进入所述PBS棱镜后反射。

在一实施例中，所述人眼到所述Lcos的像面的光路总长度小于60mm。

在一实施例中，所述第一棱镜及第二棱镜的光圈为5，局部光圈为0.5。

本发明实施例的有益效果在于，本发明的HMD投影显示光学系统结构简单紧凑， 棱镜厚度小而且体积小、重量轻、光学成像质量高、加工成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅 是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前 提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的HMD投影显示光学系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的图像产生的光路示意图；