專利名稱：一種頭盔顯示器的新型光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種頭盔顯示器的新型光學(xué)系統(tǒng)，涉及一種輕型、緊湊和像差校正良好的可調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)，可以作為透視式頭盔顯示設(shè)備的目視光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
頭盔顯示器(Head-Mounted Display，簡稱HMD)可以擴(kuò)展科學(xué)三維可視化程度，增進(jìn)用戶-計(jì)算機(jī)的交互性能，近年來在教育培訓(xùn)、交互控制，系統(tǒng)樣機(jī)設(shè)計(jì)、制造與裝配，甚至尖端武器及飛行器的研制開發(fā)等領(lǐng)域都受到廣泛重視。因其應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可以分為用于虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡稱VR)的單通道(浸沒式)頭盔顯示器和用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，簡稱AR)的雙通道(透視式)頭盔顯示器。浸沒式頭盔顯示系統(tǒng)可以完全隔離用戶對真實(shí)世界的觀察，呈現(xiàn)出一個由計(jì)算機(jī)所生成的世界，使其完全身處虛擬世界之中。但其通常的結(jié)果是將使用者與在真實(shí)環(huán)境中的一切景象隔離開來。
對于雙通道HMD而言，用戶可以同時看到外部世界和計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬圖像，因而不易產(chǎn)生眩暈，在該類光學(xué)雙通道頭盔顯示器中，需要將外部世界的圖像和圖像源傳來的圖像信號融合，這部分功能由光學(xué)組合器完成。
由于頭盔顯示器佩戴在用戶頭部，所以在設(shè)計(jì)時不僅要滿足一般光學(xué)顯示儀器的要求，還要更多地考慮人體因素。人的裸眼可見水平視場為200°、垂直視場為100°。由于人眼主要對中心為20°的視場敏感，所以在設(shè)計(jì)目視光學(xué)系統(tǒng)時應(yīng)保證中心20°的像質(zhì)?，F(xiàn)有的軍用和商用頭盔顯示器(VR類)中，用于美軍AH-64A Apache直升機(jī)用頭盔顯示器的水平視場為±20°，垂直視場為±15°；i-O Display Systems生產(chǎn)的i-glasses頭盔顯示器的水平視場為±12°，垂直視場為±9°。目前商品化的可用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)的頭盔顯示器為i-ODisplay Systems公司生產(chǎn)的i-glasses。
對于頭盔顯示器而言，光能利用率將影響系統(tǒng)的整體性能。光能利用率為到達(dá)人眼的光能與入射光能量的比值。它反映了頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)對光的吸收或反射，也就是光在到達(dá)人眼前的損耗部分。設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮盡可能增大光能利用率以減少光能的損耗。對于傳統(tǒng)的VR用的頭盔顯示器來說，只需要考慮圖像源發(fā)出的光在通過光學(xué)系統(tǒng)時的光能損失。而對于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)用的透視式雙通道HMD來說，設(shè)計(jì)時要同時照顧到兩個通道的光能利用率，即圖像源發(fā)出的光通過光學(xué)系統(tǒng)后的光能損失與外界光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)透射后的光能損失。
目前i-O Display Systems公司生產(chǎn)的商品化的可用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)的頭盔顯示器為i-glasses，其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中的光學(xué)組合器16含有2個半反半透光學(xué)面14、15。它們使圖像源與外界的光信號都能進(jìn)入人眼，起到了組合器的作用，實(shí)現(xiàn)了雙通道的合成。但該類系統(tǒng)的外部光線要通過2個半反半透光學(xué)面14、15才能進(jìn)入人眼，在通過每一個半反半透光學(xué)面后，光能都要減少1/2。在忽略其它的光能損失的前提下，最后到達(dá)人眼的光能利用率最大只能是(1/2)×(1/2)＝1/4。同時由圖像源發(fā)出的光要3次經(jīng)過半反半透光學(xué)面，即兩次經(jīng)過半反半透光學(xué)面15，一次經(jīng)過半反半透光學(xué)面14，使得內(nèi)部通道的光能利用率下降到(1/2)×(1/2)×(1/2)＝1/8。由于需要雙通道同時成像，所以光能利用率的問題不能通過調(diào)整半反半透光學(xué)面的反射與透射比來實(shí)現(xiàn)，增大其中一個通道的光能利用率，勢必影響另一通道。
在真實(shí)環(huán)境中，眼睛可以自動調(diào)焦以觀察不同距離的物體。如要實(shí)現(xiàn)外部世界與內(nèi)部通道中圖像源所傳來的圖像的融合，應(yīng)使頭盔顯示器中的光學(xué)系統(tǒng)可將虛擬場景中的物體成像于不同距離，能夠適度調(diào)焦，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真實(shí)模擬，可以增強(qiáng)用戶的浸沒感。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述技術(shù)上的不足，提供一種包含一組目鏡13和一個光學(xué)組合器16的可調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明所說明的光學(xué)系統(tǒng)為一種輕型、緊湊、像差校正良好和光能利用率高的可調(diào)焦頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)。
為獲得上面所描述的光學(xué)系統(tǒng)，本發(fā)明中的光學(xué)組合器16包含一個半反半透光學(xué)面6和一個凹面反射面7，其中透過介質(zhì)的折射率大于1；目鏡13中與內(nèi)部通道圖像源1相鄰的光學(xué)面為凹面。
本發(fā)明通過改變光學(xué)組合器16中組合棱鏡的結(jié)構(gòu)來解決雙通道頭盔顯示器光能利用率的問題。該組合棱鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2中所示光學(xué)組合器16，其只含有1個半反半透的光學(xué)面6，圖2中位于最底部的面為一反射面7，這樣外部光線只經(jīng)過一次半反半透光學(xué)面6，其光能利用率為1/2。內(nèi)部通道由圖像源1發(fā)出的光線只經(jīng)過2次半反半透光學(xué)面6，其光能利用率為(1/2)×(1/2)＝1/4。同時內(nèi)部通道光路在光學(xué)組合器16處有折疊，而該結(jié)構(gòu)中的反射面7為凹面，減小了邊緣視場主光線在光學(xué)平面5和目鏡13上的投射高；為減小邊緣視場主光線在半反半透光學(xué)面6和光學(xué)面7(凹面)上的投射高，該光學(xué)組合器16的透過介質(zhì)折射率大于1，保證了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明利用一個微型顯示器1來顯示內(nèi)部通道的圖像，采用含有一組目鏡13和一個光學(xué)組合器16的可調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)將圖像成像于觀察者前的適當(dāng)距離處。該光學(xué)系統(tǒng)中的目鏡13所產(chǎn)生的像差與光學(xué)組合器16產(chǎn)生的像差符號相反，以平衡系統(tǒng)像差，且其與微型顯示器1所表示的內(nèi)部通道圖像源相鄰的透鏡的光學(xué)面為凹面，有效控制了畸變。由微型顯示器1所出射的光線經(jīng)過目鏡13，在光學(xué)組合器16的第一個光學(xué)平面5透射，光線被凹面反射面7會聚到半反半透光學(xué)面6上，并被該半反半透光學(xué)面6反射經(jīng)過光學(xué)平面8，進(jìn)入位于光學(xué)系統(tǒng)出瞳9處的觀察者瞳孔處。凹面反射面7面向目鏡13，其頂點(diǎn)切面與觀察者視線平行，而其球面中心與微型顯示器1中心同軸；半反半透光學(xué)面6面向觀察者瞳孔9，與觀察者視線有一個夾角。
本發(fā)明中的微型顯示器1與目鏡13之間的距離可以調(diào)節(jié)，圖2所示H為本發(fā)明內(nèi)部通道的調(diào)焦位置。使圖像源中的圖像成像于500毫米到無窮遠(yuǎn)的距離處，與外部世界中距觀察者為不同距離的物體進(jìn)行適度匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圖像融合。
本發(fā)明采用一個微型顯示器1來顯示內(nèi)部通道的圖像，由于頭盔顯示器在使用中會長時間地佩戴在用戶頭部，所以要求頭盔的光學(xué)與機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，為此本發(fā)明中的圖像源采用液晶顯示器，其輸出圖像寬高比為4∶3，即水平視場與垂直視場的比值都約為4∶3，則其水平視場FOVH與垂直視場FOVx的數(shù)值分別需滿足下面公式(1)tan(FOVH/2)=h2f]]>tan(FOVV/2)=3h/42f---(1)]]>h表示微型顯示器1水平方向的尺寸，垂直方向的尺寸為3h/4，f表示本發(fā)明所提供的光學(xué)系統(tǒng)的焦距。
人眼最小分辨率為10″，大約為0.5mrad。本發(fā)明中光學(xué)系統(tǒng)的理想角分辨率受設(shè)計(jì)視場大小的圖像源尺寸和象素?cái)?shù)的限制，當(dāng)內(nèi)部通道所采用圖像源為分辨率為(640×3)×480象素的微型顯示器且當(dāng)像面位于無窮遠(yuǎn)時，頭盔顯示器的角分辨率θ可由公式(2)決定θ≈2tan(FOVH/2)640=2tan(FOVV/2)480(rad)---(2)]]>本發(fā)明中所給出的光學(xué)系統(tǒng)的出瞳距離為組合棱鏡結(jié)構(gòu)的邊緣與人眼瞳孔的最小距離。為保證使用者佩戴方便，出瞳距離不應(yīng)過小，應(yīng)大于15mm，如果允許用戶在使用時佩戴眼鏡的話，則要求出瞳距離大于25mm。本發(fā)明所采用的出瞳距離為大于25mm。
本發(fā)明中所給出的光學(xué)系統(tǒng)的出瞳直徑為10mm。人眼瞳孔在正常狀態(tài)下的直徑為2mm左右，在黑暗環(huán)境下會適當(dāng)放大。為了允許人眼眼球有一定范圍的移動，一般要求頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的出瞳直徑大小在8mm以上。為進(jìn)一步滿足軍用系統(tǒng)中人眼移動的要求，本發(fā)明中的出瞳直徑給定為10mm。
本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)的瞳距采用62mm。大多數(shù)雙目顯示頭盔由兩個對稱的光學(xué)系統(tǒng)組成，它們各自出瞳主光線的距離為此頭盔顯示系統(tǒng)的瞳距。人眼的瞳距一般在54～70mm之間，雙目頭盔的瞳距應(yīng)能良好地配合使用者的雙目瞳距。為了使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)時使用平均值為62mm。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是該光學(xué)系統(tǒng)可以應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的頭盔顯示器，其可以實(shí)現(xiàn)的視場角為36°(H)×27°(V)，最小角分辨率為1.015毫弧度，成像質(zhì)量優(yōu)良，畸變不大于1％，可以同時清晰觀察外部世界的圖景和內(nèi)部通道中微型顯示器1所表示的圖像源的圖像。


圖1現(xiàn)有的用于AR的頭盔顯示器的光學(xué)結(jié)構(gòu)2發(fā)明中用于AR的頭盔顯示器的光學(xué)結(jié)構(gòu)3發(fā)明所給出實(shí)施例子中用于AR的頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)圖其中(a)為成像于500mm時的光學(xué)系統(tǒng)圖，(b)為成像于2000mm時的光學(xué)系統(tǒng)圖，(c)為成像于無窮遠(yuǎn)時的光學(xué)系統(tǒng)圖。
圖4發(fā)明所給出實(shí)施例子中光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線圖5發(fā)明所給出實(shí)施例子中光學(xué)系統(tǒng)的畸變曲線圖6發(fā)明所給出實(shí)施例子中光學(xué)系統(tǒng)的畸變柵格圖1-微型顯示器，2-目鏡中靠近微型顯示器的正透鏡，3-雙膠合透鏡中的正透鏡，4-雙膠合透鏡中的負(fù)透鏡，5-光學(xué)組合器中靠近微型顯示器的入射光學(xué)平面，6-光學(xué)組合器中的半反半透光學(xué)面，7-光學(xué)組合器中的凹面反射面，8-光學(xué)組合器中靠近觀察者的出射平面，9-光學(xué)系統(tǒng)的出瞳，10-光學(xué)組合器中外部光線的入射面，11-由5、6、10面組成的直角棱鏡，12由6、8、12面組成的含凹面反射面的光學(xué)元件，13-目鏡，14-現(xiàn)有頭盔顯示器中光學(xué)組合器的一個半反半透光學(xué)面，15-現(xiàn)有頭盔顯示器中光學(xué)組合器的第二個半反半透光學(xué)面，16-光學(xué)組合器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明所給出的可調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)對微型顯示器1成像的內(nèi)部通道與觀察外部世界的外部通道的光路和光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量詳細(xì)說明本發(fā)明中實(shí)施例子的光學(xué)系統(tǒng)及其光路圖如圖2和圖3所示，圖3(a)為成像到500mm的光學(xué)系統(tǒng)圖、圖3(b)為成像到2000mm的光學(xué)系統(tǒng)圖和圖3(c)為成像到無窮遠(yuǎn)時的光學(xué)系統(tǒng)圖，通過調(diào)節(jié)圖3中微型顯示器1與正透鏡2之間的距離(從2毫米到6毫米)，即可實(shí)現(xiàn)將內(nèi)部通道中的圖像源成像于不同位置的目的。如圖3中微型顯示器1的光線被光學(xué)系統(tǒng)中正透鏡2會聚，由正透鏡3和負(fù)透鏡4組成的雙膠合透鏡將會聚光線透射到光學(xué)組合器16中光學(xué)平面5；進(jìn)入光學(xué)組合器16的光線首先透射經(jīng)過半反半透光學(xué)面6，光學(xué)能量損失1/2，此時的光線被光學(xué)組合器16中的凹面反射面7反射到半反半透光學(xué)面6，光學(xué)能量再次損失1/2；被光學(xué)面6所反射的光線經(jīng)過光學(xué)平面8，進(jìn)入圖中位于光學(xué)系統(tǒng)出瞳9處的觀察者瞳孔。圖3中外部世界的光線則通過光學(xué)平面10進(jìn)入光學(xué)組合器16，并經(jīng)過半反半透光學(xué)面6和光學(xué)平面8進(jìn)入觀察者的瞳孔，此時由光學(xué)面5、10、6所組成的光學(xué)元件11與由光學(xué)面6、7、8所組成光學(xué)元件12的材料相同，未在光學(xué)面6處引入折射，但因光學(xué)面6為半反半透光學(xué)面，光學(xué)能量損失1/2。內(nèi)部通道圖像源發(fā)出的光在通過光學(xué)系統(tǒng)后的光能利用率為(1/2)×(1/2)＝1/4，外界光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)透射后的光能利用率為1/2。
本實(shí)施例子中微型顯示器1對角線長為4/3英寸，光學(xué)系統(tǒng)在成像于無窮遠(yuǎn)時，水平視場為±18°，垂直視場為±13.5°，此時的光學(xué)系統(tǒng)焦距為41.2365mm。該光學(xué)系統(tǒng)的最小角分辨率為θ≈2tan(FOVH/2)/640＝2×tan(18)/640＝1.015×10-3＝1.015mrad，即其為1.015毫弧度。
本實(shí)施例子中微型顯示器1與光學(xué)組合器16之間的直線距離為28.45mm，光學(xué)組合器16到出瞳9之間的直線距離即光學(xué)系統(tǒng)的出瞳距離為25mm。為實(shí)現(xiàn)外部世界與內(nèi)部通道之間水平視場和垂直視場的匹配，光學(xué)組合器的設(shè)計(jì)尺寸為36×36×40mm3。
本發(fā)明中光學(xué)系統(tǒng)用于AR中的頭盔顯示器，需要實(shí)現(xiàn)外部世界的圖景與內(nèi)部通道的圖像的真實(shí)融合，因此應(yīng)對內(nèi)部通道的光學(xué)系統(tǒng)的畸變進(jìn)行控制，本實(shí)施例子中的光學(xué)系統(tǒng)的畸變不大于1％。
本實(shí)施例子中的光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)曲線(MTF)如圖4所示，其中圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)分別表示圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)所示光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線。而對應(yīng)不同成像位置的畸變曲線如圖5所示，圖6則給出了各自所對應(yīng)的畸變柵格。
權(quán)利要求
1.一種頭盔顯示器的新型光學(xué)系統(tǒng)，包括使用微型液晶顯示器1作為內(nèi)部圖像源顯示設(shè)備，使所述圖像成像于觀察者觀察方向無窮遠(yuǎn)處，且可調(diào)焦到距觀察者有限距離處；該目視光學(xué)系統(tǒng)包括一組目鏡2和一個組合棱鏡結(jié)構(gòu)5，該目鏡2中至少包含一個透射元件，該組合棱鏡結(jié)構(gòu)5中至少有一個面為凹面反射面7，至少有一個面為半反半透光學(xué)面6，至少在光學(xué)面之間發(fā)生兩次反射，在光學(xué)面之間的空間所充滿的介質(zhì)的折射率大于1，從微型顯示器1出射的光線首先通過目鏡2的透射面，并通過組合棱鏡結(jié)構(gòu)5的第一個透射面5進(jìn)入組合棱鏡結(jié)構(gòu)5，穿過半反半透光學(xué)面6后由凹面反射面7反射，反射的光線再由半反半透光學(xué)面6反射，并通過第二個透射面8進(jìn)入觀察者的瞳孔；觀察者看到的為被所述微型顯示器1經(jīng)過該光學(xué)系統(tǒng)所成的圖像所增強(qiáng)的直接通過組合棱鏡結(jié)構(gòu)看到的外界環(huán)境。
2.如權(quán)利要求1所述的一個內(nèi)部圖像源顯示裝置包括一個微型顯示器1來顯示圖像，一個目視光學(xué)系統(tǒng)將由微型顯示器1所顯示的圖像成像，使觀察者能夠觀察，并保持所述微型顯示器1和所述目視光學(xué)系統(tǒng)位于觀察者的頭部或臉部，所述目視光學(xué)系統(tǒng)包括一組目鏡2，該目鏡2與內(nèi)部圖像源1相鄰?fù)哥R的光學(xué)面為凹面，以有效控制畸變，光學(xué)系統(tǒng)中的目鏡2所產(chǎn)生的像差與組合棱鏡結(jié)構(gòu)5產(chǎn)生的像差符號相反，以平衡系統(tǒng)像差，所述目視光學(xué)系統(tǒng)還包括一個組合棱鏡結(jié)構(gòu)5，該結(jié)構(gòu)的第一個光學(xué)面為平面5，與上面所述目鏡2的遠(yuǎn)離微型顯示器1的光學(xué)面相對；其位于所述目鏡2和所述觀察者瞳孔9之間，所述組合棱鏡結(jié)構(gòu)5所產(chǎn)生像差由所述目鏡2所產(chǎn)生像差來平衡，由上面所述目鏡2所出射的光線將通過所述組合棱鏡結(jié)構(gòu)5的第一個光學(xué)面5進(jìn)入上面所述組合棱鏡結(jié)構(gòu)5，由上面所述凹面反射面7反射，反射的光線再由所述半反半透光學(xué)面6反射，并通過上面所述第二個透射面8，進(jìn)入觀察者的瞳孔。
3.如權(quán)利要求2所述的內(nèi)部圖像源顯示裝置，其特征在于在所述第一個透射面5、第二個透射面8和凹面反射面7所構(gòu)成的組合棱鏡結(jié)構(gòu)5中，所述光學(xué)結(jié)構(gòu)的透過介質(zhì)的折射率大于1，以減小邊緣視場主光線在所述半反半透光學(xué)面6和凹面反射面7上的投射高，進(jìn)而簡化目鏡設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)緊湊。
4.如權(quán)利要求3所述的內(nèi)部圖像源顯示裝置，其特征在于所述組合棱鏡結(jié)構(gòu)5中，從所述微型顯示器1所出射的光線經(jīng)過所述目鏡2，在所述組合棱鏡結(jié)構(gòu)5的第一個面5透射后，在到達(dá)所述凹面反射面7前被所述半反半透光學(xué)面6透射。
5.如權(quán)利要求3所述的內(nèi)部圖像源顯示裝置，其特征在于所述組合棱鏡結(jié)構(gòu)5中，還有第三個透射光學(xué)面10，外界實(shí)際光線從所述光學(xué)面進(jìn)入，并從所述半反半透面6透射，進(jìn)入觀察者的瞳孔9，所述光學(xué)面10與所述第二個透射面8平行；由光學(xué)面5、10、6所組成的光學(xué)元件11與由光學(xué)面6、7、8所組成光學(xué)元件12的材料相同，未在所述半反半透面6處引入折射，光學(xué)能量損失1/2。
6.如權(quán)利要求5所述組合棱鏡結(jié)構(gòu)5，其特征在于所述反射面7為凹面，以減小邊緣視場主光線在所述目鏡2上的投射高。。
7.如權(quán)利要求4到6中的所述內(nèi)部圖像源顯示裝置，其特征在于其中所述組合棱鏡系統(tǒng)5中一個光路的排列如下，光線從所述組合棱鏡系統(tǒng)5的第三個透射面10入射到所述半反半透光學(xué)面6上，被所述半反半透光學(xué)面6透射；而另一個光路中，則光線被所述組合棱鏡系統(tǒng)5的凹面反射面7反射到所述半反半透光學(xué)面6上，再被所述半反半透光學(xué)面6反射到所述組合棱鏡系統(tǒng)5的第二個透射面8。
8.如權(quán)利要求4所述的組合棱鏡結(jié)構(gòu)5，其特征在于其中所述第一個透射面5與半反半透光學(xué)面6的夾角為45度。
9.如權(quán)利要求4所述的組合棱鏡結(jié)構(gòu)5，其特征在于其中所述半反半透光學(xué)面6與凹面反射面7頂點(diǎn)切線的夾角為45度。
10.如權(quán)利要求2所述目視光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述目鏡2位于微型顯示器1與組合棱鏡系統(tǒng)5之間。
11.如權(quán)利要求10所述目鏡，其特征在于從所述微型顯示器1出射的光線，通過所述目鏡2的第一個透射光學(xué)元件2，該元件2面向微型顯示器1的面為凹面，以校正系統(tǒng)畸變。
12.如權(quán)利要求11所述目鏡2，其特征在于該目鏡2中光學(xué)元件與微型顯示器1共軸。
13.如權(quán)利要求2所述目視光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于微型顯示器1出射的光線從所述目鏡2透射后，被所述組合棱鏡系統(tǒng)5的凹面反射面7反射，并通過所述組合棱鏡系統(tǒng)5的第二個透射面8，進(jìn)入觀察者的瞳孔9，其出瞳距離大于25毫米。
14.如權(quán)利要求2所述目視光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于出射的光線從所述目鏡2透射后，被所述組合棱鏡系統(tǒng)5的凹面反射面7反射，透過所述組合棱鏡系統(tǒng)5的第二個透射面8，進(jìn)入觀察者的瞳孔9；所述微型顯示器1與所述目鏡2的第一個光學(xué)元件2的軸上距離大于6毫米時，對應(yīng)于成像于無窮遠(yuǎn)的圖像。
15.如權(quán)利要求2所述目視光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于微型顯示器1出射的光線從所述目鏡2透射后，被所述組合棱鏡系統(tǒng)5的凹面反射面7反射，透過所述組合棱鏡系統(tǒng)5的第二個透射面8，進(jìn)入觀察者的瞳孔9，所述光學(xué)系統(tǒng)可調(diào)焦；所述微型顯示器1與所述目鏡2的第一個光學(xué)元件2的軸上距離2毫米時，對應(yīng)于成像于500毫米的圖像。
全文摘要
本發(fā)明為一種頭盔顯示器的新型光學(xué)系統(tǒng)，涉及一種輕型、緊湊和像差校正良好的可調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)，可以作為透視式頭盔顯示設(shè)備的目視光學(xué)系統(tǒng)。該目視光學(xué)系統(tǒng)包括一組目鏡和一個組合棱鏡結(jié)構(gòu)。該目鏡中至少包含一個透射元件。該組合棱鏡結(jié)構(gòu)中至少有一個面為凹反射面，至少有一個面為半反半透光學(xué)面，至少在光學(xué)面之間發(fā)生兩次反射，在光學(xué)面之間的空間所充滿介質(zhì)折射率大于1。該目視光學(xué)系統(tǒng)以微型液晶顯示器為像面顯示設(shè)備，可以將由內(nèi)部通道圖像源經(jīng)過該目視光學(xué)系統(tǒng)所成的圖像和外部世界圖景融合，使所述圖像成像于觀察者觀察方向無窮遠(yuǎn)處，且可調(diào)焦到距觀察者有限距離處。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)系統(tǒng)緊湊、像差校正良好、光能利用率高，同時可進(jìn)行較大范圍調(diào)焦。
文檔編號G02B27/00GK1664649SQ20051000849
公開日2005年9月7日 申請日期2005年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月23日
發(fā)明者王涌天, 程雪岷, 劉越, 郝群 申請人:北京理工大學(xué)