[发明专利]一种出瞳可调的头戴显示器光学系统

说明书

一种出瞳可调的头戴显示器光学系统，由前固定组、变焦组、补偿组和后固定组组成，位置关系为：微型显示器或中间像面作为物面，依次为所述的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组，且所述的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组相对光轴呈轴对称放置，所述的前固定组和后固定组在光学系统变焦的过程中始终保持位置不变，所述的变焦组和补偿组在光学系统变焦的过程中按照各自的曲线沿光轴移动。所述的变焦组和补偿组在移动过程中保持光学系统的前焦平面和后焦平面固定，使光学系统的前焦平面和物面重合，光学系统的后焦平面和出瞳重合。本发明具有结构简单、光能利用率高和成像质量高等特点，可实现出瞳扩展和智能调节。

技术领域

本发明涉及头戴显示器。特别是一种出瞳可调的头戴显示器光学系统。

背景技术

一个典型的头戴显示器(以下简称为HMD)由微型显示器和光学系统两部分组成。HMD作为一种目视光学系统，其光学系统的出瞳与人眼瞳孔重合。为了与人眼视觉有效地配合以达到最佳的显示效果并实现对入射光能的有效利用，HMD的设计必须充分考虑微型显示器的亮度、光学系统的视场大小、出瞳参数以及成像质量。其中出瞳参数作为光学系统的重要设计参数之一，其主要包括出瞳直径、出瞳距离以及出瞳间距。在满足出瞳间距和出瞳距离与人眼瞳孔严格匹配的前提下，光学系统出瞳直径设计值比人眼瞳孔直径大很多。这主要是考虑到眼睛的亮度调节机制，并为了避免人眼的转动使瞳孔与系统出瞳失配过大造成渐晕或像面丢失。通常情况下，人眼瞳孔直径为2.5～4mm，穿透式HMD的出瞳直径设计值为10mm～15mm，沉浸式HMD考虑到人眼的转动范围较小，其出瞳直径设计值为4mm～6mm。

为了增大光学系统的出瞳直径，并同时保证HMD的高亮度、大视场、高分辨率显示以及结构的轻便易携带，HMD采用出瞳扩展技术来解决这一问题。目前基于出瞳扩展技术的HMD主要有视网膜扫描显示器(简称为RSD)和平板光波导头戴显示器。RSD的出瞳扩展原理图如图1所示，RSD由光源L、扫描镜M和光学系统S组成。由于RSD采用的光源发散角比较小，为了充分利用光源的发光角度，RSD的光学系统与传统的目镜不同，设计光路为物方远心光路。因此光学系统必然满足拉赫不变量的约束关系，为了增大RSD的出瞳P的直径，必须增大光学系统的物方数值孔径。RSD通过在扫描镜M和光学系统S之间放置出瞳扩展器EEP，其位置与中间像面I完全重合，由此增大光源通过出瞳扩展器EEP的出射角度从而增大RSD的出瞳直径。目前在RSD中经常用到的出瞳扩展器有光纤阵列面板、衍射光学元件、微透镜阵列等具有固定周期结构的器件。先技术[1](参见Tapani levola等.Stereoscopic exitpupil expander display.US 2010/0231693)提出了一种在光学衬底上使用输入耦合、中间体和输出耦合多个衍射光学元件并合理设置各元件的周期线角度的RSD扩展出瞳方法。先技术[2](参见Hakan Urey,Karlton.Microlens-array-based exit-pupil expanderfor full-color displays.Applied Optics,Vol.44No.23,August 2005)给出了微透镜阵列的出瞳扩展理论，在RSD中采用双排微透镜阵列作为出瞳扩展器并分析了微透镜阵列的对准以及不同的加工方法对出瞳均匀性的影响。先技术[3](参见曾飞，张新.全息波导头盔显示技术.中国光学.Vol.7No.5,2014)综述了在平板光波导头戴显示器通过采用全息波导和衍射光栅组合或采用半透膜阵列波导实现扩展出瞳的方法和技术。

以上技术存在的缺点主要有：

1)衍射光学元件或微透镜阵列的加工难度大，加工工艺复杂，成本高；

2)由衍射作用引起的杂散光和色散很难通过光学系统得以矫正，降低了HMD的成像质量；

3)由加工工艺引起的面形误差以及各衍射级次之间的干涉，降低了HMD出瞳面的照度均匀性；

4)衍射光栅的衍射效率影响HMD的光能利用率，降低了HMD出瞳面的亮度；

5)出瞳扩展器的使用增大了HMD的装配难度，使其结构复杂；