專利名稱：投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)及其投影物鏡、應(yīng)用該系統(tǒng)的頭盔顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)計(jì)一種投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，本發(fā) 明還涉及一種投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)及應(yīng)用該系統(tǒng)的頭盔顯示裝置。
背景技術(shù)：
投影式頭盔顯示器(HeadMounted Progective Displays, HMPDs)是一種新型頭 盔顯示器，能夠在虛假現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下給出真實(shí)物體和虛擬物體的正確“閉塞”，把 信息限制在特定空間，實(shí)現(xiàn)多用戶環(huán)境下互補(bǔ)干擾等效果。與以目鏡為基礎(chǔ)的頭盔顯示器 相比，該系統(tǒng)可獲得小的體積和質(zhì)量，大的視場以及小的光學(xué)畸變。圖1為現(xiàn)有的一種投影式頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。請(qǐng)參考圖1，投影式頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)包括微顯示器2、投影物鏡3、分光鏡5、 以及逆反射屏4。微顯示器2和分光鏡5分設(shè)于投影物鏡3的光軸上，并位于投影物鏡3兩 側(cè)，分光鏡5的分光面與所述投影物鏡3的光軸成45°角設(shè)置。逆反射屏4設(shè)置于與投影 物鏡3的光軸垂直的軸上，分光鏡5的分光面也同時(shí)與該軸呈45°角。工作時(shí)，微顯示器2上的圖像經(jīng)過投影物鏡3后成像，所成的像經(jīng)分光鏡5的轉(zhuǎn)像 作用，該像被投射在投影像1的位置。而由于逆反射屏4的反射，成像的光線又被反射回分 光鏡5，并透過分光鏡5到達(dá)出瞳6處。在出瞳6處觀察即可看到微顯示器顯示的圖像了。圖2為上述的投影式頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)的一種投影物鏡的示意圖。如圖2所 示，所述投影物鏡由物面至像面方向依次包括第一正透鏡3-1、第二正透鏡3-2、第一負(fù)透 鏡3-3，第二負(fù)透鏡3-8、第四正透鏡3-6和第五正透鏡3-7。其中，上述所有透鏡的光軸同 軸。所述第一正透鏡3-1和第二正透鏡3-2為彎月形，凸起面朝向物面，所述第一負(fù)透鏡3-3 也為彎月形，凸起面朝向物面。所述第一負(fù)透鏡3-3和第二正透鏡3-2之間具有空氣間隙。 所述第二負(fù)透鏡3-8為雙膠合透鏡，其凸起面朝向像面一側(cè)，包括一負(fù)透鏡3-4和一正透鏡 3-5。所述第四正透鏡3-6為彎月形透鏡，其凸起面也朝向像面一側(cè)。所述第五正透鏡3-7 為雙凸透鏡。上述的投影物鏡為單純的折射投影系統(tǒng)，而且包含多片透鏡，使得整個(gè)投影物鏡 的體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有必要對(duì)其進(jìn)一步的改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種應(yīng)用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，本發(fā)明的投影物鏡結(jié)構(gòu) 較為簡單，體積較小。本發(fā)明還提供一種投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)及應(yīng)用該系統(tǒng)的頭盔顯示裝置。本發(fā)明提供的一種用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，包括依次設(shè)置的、同光 軸的第一折射透鏡、第二折射透鏡、第三折射透鏡和第四折射透鏡；所述四個(gè)折射透鏡之間 具有間隙；
在所述第二正透鏡和第三正透鏡之間還設(shè)置有衍射元件?？蛇x的，所述四個(gè)折射透鏡均為彎月形正透鏡；且所述第一折射透鏡和第二折射透鏡的凹形面朝向相同，所述第三折射透鏡和第 四折射透鏡的凹形面朝向相同，且所述第一折射透鏡、第二折射透鏡的凹形面與第三折射 透鏡、第四折射透鏡的凹形面相對(duì)設(shè)置?？蛇x的，所述折射透鏡之間的間隙為空氣或其介質(zhì)。優(yōu)選的，所述衍射元件為單層衍射元件或雙層衍射元件，優(yōu)選的，所述衍射元件為雙層衍射元件；所述雙層衍射元件包括一側(cè)設(shè)置有周期性凸凹微雕結(jié)構(gòu)的第一透射元件和第二 透射元件；兩透射元件的凸凹微雕結(jié)構(gòu)具有相同的凸凹周期；所述第一透射元件和第二透射元件設(shè)置有凸凹微雕結(jié)構(gòu)一側(cè)相對(duì)設(shè)置，且兩微雕 結(jié)構(gòu)的凸起與凸起相對(duì)，凹陷與凹陷相對(duì)?？蛇x的，所述第一透射元件和第二透射元件的與凸凹微雕結(jié)構(gòu)相對(duì)的一側(cè)面為平 面、球面或者非球面弧形面?？蛇x的，第一透射元件的凹陷深度凡=-2氣隨丨)]—‘隨』}-
^02 Vn\ (Λ)2 )]眾01 η2 (Λ)Ι )1 —眾01JArvOl弟一透射兀件的凹陷深度"2 - , r Λ r ΛΛι \ ^ ΛΜ χ ^
Kl [η\ (義02 η2 (Λη )] 一 kOI Υη\ (Λ)1 )] 02 (Λ)2 )J其中，Ii1 ( λ J和ηι ( λ 02)所述第一透射元件在設(shè)計(jì)波長分別為λ μ和λ 02時(shí)的 折射率；η2 ( λ 01)和η2 ( λ 02)所述第二透射元件在設(shè)計(jì)波長分別為λ Μ和λ 02時(shí)的折射率； k01和k02為波數(shù)?？蛇x的，所述第一透射元件和第二透射元件的材質(zhì)分別為TOD1和FD6?？蛇x的，在設(shè)計(jì)兩波長分別為400nm和700nm時(shí)，所述H1 = 10. 9um, H2 = 5. 9um?？蛇x的，所述第一透射元件和第二透射元件的材質(zhì)分別為SF6和Sk52，或者分別 為 Ge 禾口 ZnSe0本發(fā)明還提供一種投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)，包括上述任一技術(shù)方案所述的投影物
^Mi ο本發(fā)明還提供一種投影式頭盔顯示裝置，包括所述的投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的投影物鏡，相對(duì)于現(xiàn)有的投影物鏡，光學(xué)元件的數(shù)目減 少，結(jié)構(gòu)簡單，有利于使得整投影物鏡整體體積減小，重量減輕。優(yōu)選的，本發(fā)明的投影物鏡的衍射元件為雙衍射元件，使得包含該雙層衍射元件 的光學(xué)系統(tǒng)可應(yīng)用于可見光范圍的頭盔顯示器中，實(shí)現(xiàn)在可見光范圍內(nèi)觀察時(shí)，具有較高 的衍射效率；從而可有效提高像面的對(duì)比度以及真實(shí)性；能夠滿足頭盔式顯示裝置在虛擬 顯示和可視化訓(xùn)練中的使用要求。


圖1為現(xiàn)有的一種投影式頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖2為圖1所示的投影式頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)的一種投影物鏡的示意圖3為本發(fā)明的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡的實(shí)施例的示意圖；圖4為應(yīng)用于圖3所示的實(shí)施例中的雙層衍射元件的示意圖。
具體實(shí)施例方式在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以 很多不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況 下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施的限制。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡進(jìn)行詳細(xì)描述。圖3為本發(fā)明的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡的實(shí)施例的示意圖。請(qǐng)參考圖3，本發(fā)明的實(shí)施例的投影物鏡包括5個(gè)光學(xué)組件，由物至像的方向依次 為第一折射透鏡7-1、第二折射透鏡7-2、衍射元件7-5、第三折射透鏡7-3和第四折射透鏡 7-4。所述四個(gè)折射透鏡同光軸設(shè)置。雙層衍射元件7-5設(shè)置于所述的光軸之上。在上述 的五個(gè)光學(xué)組件之間設(shè)置有一定的間隙，該間隙可以是空氣間隙，也可以填充介質(zhì)。所述的第一折射透鏡7-1、第二折射透鏡7-2、第三折射透鏡7-3和第四折射透鏡 7-4均為彎月形正透鏡。請(qǐng)繼續(xù)參考圖3，所述第一折射透鏡7-1具有相對(duì)的凸形面7-la 和凹形面7-lb，所述第二折射透鏡7-2具有相對(duì)的凸形面7-2a和凹形面7_2b ；所述第三折 射透鏡7-3具有相對(duì)的凸形面7-3a和凹形面7-3b ；所述第四折射透鏡7_4具有相對(duì)的凸 形面7-4a和凹形面7-4b。所述第一折射透鏡7-1的凹形面7-lb和第二折射透鏡7-2的凹形面7_2b朝向相 同；所述第三折射透鏡7-3的凹形面7-3b和第四折射透鏡7-4的凹形面7-4b朝向相同，且 所述第一折射透鏡7-1、第二折射透鏡7-2的凹形面與第三折射透鏡7-3、第四折射透鏡7-4 的凹形面相對(duì)設(shè)置。所述的第一折射透鏡7-1和第四折射透鏡7-4分設(shè)于該投影物鏡的兩側(cè)，用于校 正該投影物鏡的球差；所述第二折射透鏡7-2和第三折射透鏡7-3凹形面相對(duì)設(shè)置，并設(shè)置 于第一折射透鏡7-1和第四折射透鏡7-4的內(nèi)側(cè)，用于消除該投影物鏡的場曲。所述四個(gè) 折射透鏡的材質(zhì)以及各個(gè)凹形面、凸形面的曲率半徑可以根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，這里 不再展開敘述。衍射元件7-5設(shè)置于第二折射透鏡7-2和第三折射透鏡7-3之間，用于矯正該系 統(tǒng)的位置色散。如圖3所示。所述衍射元件7-5可以是單層衍射元件，即僅有一個(gè)衍射光學(xué)元件構(gòu)成。但是，單 層衍射元件由于僅對(duì)單一波長的光響應(yīng)，即在設(shè)計(jì)波長處衍射效率較高，而在波長由設(shè)計(jì) 波長向兩側(cè)偏離時(shí)，衍射光學(xué)元件的主衍射級(jí)次的衍射效率逐漸下降，而次衍射級(jí)次的衍 射能量會(huì)彌散在主衍射級(jí)次的像面上，從而影響像面的對(duì)比度。故而單層衍射元件的光學(xué) 系統(tǒng)僅僅適用于窄波段。為克服單層衍射元件的光學(xué)系統(tǒng)僅僅適用于窄波段的問題，所述的衍射元件也可 以為雙層衍射元件。即包含兩個(gè)衍射光學(xué)元件。圖4為本實(shí)施例中的一種雙層衍射元件的 示意圖。請(qǐng)參考圖4，雙層衍射元件7-5包括第一透射元件7-5-1和第二透射元件7_5_2 ； 且在兩透射元件的一側(cè)均設(shè)置有周期性凸凹微雕結(jié)構(gòu)；例如，在第一透射元件7-5-1的一側(cè)7-5-lb設(shè)置有凸凹微雕結(jié)構(gòu)，在第二透射元件7-5-2的一側(cè)7-5-2b設(shè)置有凸凹微雕結(jié) 構(gòu)。兩透射元件的凸凹微雕結(jié)構(gòu)具有相同的周期。具體的，所述凸凹微雕結(jié)構(gòu)可以為光柵 結(jié)構(gòu)，兩元件的光柵結(jié)構(gòu)具有相同的光柵周期。所述第一透射元件7-5-1的側(cè)邊7-5-lb和第二透射元件7_5_2的側(cè)邊7_5_2b相 對(duì)設(shè)置，并緊貼在一起。而且，在緊貼在一起時(shí)，兩側(cè)的微雕結(jié)構(gòu)的凸起相對(duì)，凹陷相對(duì)。在 所述第一透射元件7-5-1和第二透射元件7-5-2的凹陷區(qū)域可以填充介質(zhì)材料，也可以不 填充介質(zhì)，僅為空氣間隙。此外，所述第一透射元件7-5-1的側(cè)邊7-5-la和第二透射元件7_5_2的側(cè)邊 7-5-2a為與微雕結(jié)構(gòu)相對(duì)的一側(cè)，該側(cè)可以是平面，也可以是球面或者非球面弧形結(jié)構(gòu)。第一透射元件7-5-1和第二透射元件7-5-2的微雕結(jié)構(gòu)具有不同的深度，根據(jù)兩 透射元件響應(yīng)波長的不同，可以設(shè)置不同的深度。例如在確定兩透射元件的不同色散系數(shù) 的基底材料之后，可以得到兩透射元件的微雕結(jié)構(gòu)深度(即凹陷深度)分別為第一透射元件的凹陷深度.H1=-2氣[”2(管‘眺)]}-
K2 [nt (A02 )]k01 [n2 (^01)] - km [ηλ (A01 )]k02 [n2 (A02)]弟一透射兀件的凹陷深度"2- , Γ ,, Λ17 r, Γ ,, r ,, Λ1
02 K (Λ)2)訴01 VnI (Λι)] — ^01 [nt (/I01 )]k02 [η2 (A02)]其中，Ii1 (λ 01)和Ii1 (λ J所述第一透射元件7-5-1在設(shè)計(jì)波長分別為λ 01和A02 時(shí)的折射率;η2 ( λ 01)和η2 ( λ 02)所述第二透射元7-5-2件在設(shè)計(jì)波長分別為λ Μ和λ Q2時(shí) 的折射率；V和、為波數(shù)。也就是說，根據(jù)相應(yīng)波長的需要，選定兩衍射元件的基底材料之后，可以獲得兩透 射元件的凹陷深度。凹陷深度的大小以及基底材料決定了改雙層衍射元件對(duì)不同波長的響應(yīng)。例如，在設(shè)計(jì)的響應(yīng)波長為可見光光譜范圍時(shí)，即響應(yīng)波長分別為400nm和 700nm、第一透射元件7_5_1和第二透射元件7_5_2的材質(zhì)分別為TOD1和FD6時(shí)，所述H1 = 10. 9um, H2 = 5. 9um。即選擇FCD1和FD6作為基底材料,H1 = 10. 9um, H2 = 5. 9um作為微雕 結(jié)構(gòu)凹陷深度，則包含該雙層衍射元件的光學(xué)系統(tǒng)可應(yīng)用于可見光范圍的頭盔顯示器中， 實(shí)現(xiàn)在可見光范圍內(nèi)觀察時(shí)，具有較高的衍射效率。具體的，衍射效率可大于90%，從而可 以克服單層衍射元件的僅適用于窄波段的問題。此外，第一透射元件7-5-1和第二透射元件7-5-2的材質(zhì)也可以分別為SF6和 Sk52,或者分別為Ge和ZnSe。上述實(shí)施例中的投影物鏡，相對(duì)于現(xiàn)有的投影物鏡，光學(xué)元件的數(shù)目減少，結(jié)構(gòu)簡 化、有利于使得整投影物鏡整體體積減小，重量減輕；而且，對(duì)較大波長范圍的光具有較好 的響應(yīng)，使用波段范圍擴(kuò)大，衍射效率也具有較大的提高，從而有效提高了像面的對(duì)比度以 及真實(shí)性。能夠滿足頭盔式顯示裝置在虛擬顯示和可視化訓(xùn)練中的使用要求。上述實(shí)施例的投影物鏡可以作為光學(xué)元件，應(yīng)用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)中，該光 學(xué)系統(tǒng)還可以應(yīng)用于投影式頭盔顯示裝置中，形成具有高對(duì)比度和逼真度的顯示裝置。本發(fā)明雖然以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技 術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動(dòng)和修改，因此本發(fā)明的保 護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，其特征在于包括依次設(shè)置的、同光軸的第一折射透鏡、第二折射透鏡、第三折射透鏡和第四折射透鏡；所述四個(gè)折射透鏡之間具有間隙；在所述第二正透鏡和第三正透鏡之間還設(shè)置有衍射元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述四個(gè)折射透鏡均為 彎月形正透鏡；且所述第一折射透鏡和第二折射透鏡的凹形面朝向相同，所述第三折射透鏡和第四折 射透鏡的凹形面朝向相同，且所述第一折射透鏡、第二折射透鏡的凹形面與第三折射透鏡、 第四折射透鏡的凹形面相對(duì)設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述折射透鏡之間的間 隙為空氣或其介質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，其特征在于 所述衍射元件為單層衍射元件或雙層衍射元件，
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，其特征在于 所述衍射元件為雙層衍射元件；所述雙層衍射元件包括一側(cè)設(shè)置有周期性凸凹微雕結(jié)構(gòu)的第一透射元件和第二透射 元件；兩透射元件的凸凹微雕結(jié)構(gòu)具有相同的凸凹周期；所述第一透射元件和第二透射元件設(shè)置有凸凹微雕結(jié)構(gòu)一側(cè)相對(duì)設(shè)置，且兩微雕結(jié)構(gòu) 的凸起與凸起相對(duì)，凹陷與凹陷相對(duì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，其特征在于所述第一 透射元件和第二透射元件的與凸凹微雕結(jié)構(gòu)相對(duì)的一側(cè)面為平面、球面或者非球面弧形面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，其特征在于弟一透射兀件的凹陷深度“! ~ U U Ci Μ7 Γ^TTTl~~7 Γ /1 Μ, ΓΓΓΤ,Kl [ 丨(Λ)2 )Foi (Λ)丨)]_ 眾01 ["ι (ΛI(xiàn) )]眾02 [ 2 (Λ)2 )]第二透射元件的凹陷深度·巧=-2^οιΚμο,)]-^Κ(Λ2)]}-Kl ["ι (Λ2 [ 2 (Λπ K (Λ )]^02 (Λ)2 )]其中，H1(Xcil)和IllUJ所述第一透射元件在設(shè)計(jì)波長分別為λΜ和λ μ時(shí)的折射 率；η2 ( λ 01)和η2 ( λ 02)所述第二透射元件在設(shè)計(jì)波長分別為λ Μ和λ 02時(shí)的折射率；V和 k02為波數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，其特征在于所述第 一透射元件和第二透射元件的材質(zhì)分別為TOD1和FD6。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，其特征在于在設(shè)計(jì) 兩波長分別為400nm和700nm時(shí)，所述H1 = 10. 9um, H2 = 5. 9um。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，其特征在于所述第 一透射元件和第二透射元件的材質(zhì)分別為SF6和Sk52，或者分別為Ge和ZnSe。
11.一種投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括上述權(quán)利要求1至10任一所述的投 影物鏡。
12.一種投影式頭盔顯示裝置，其特征在于包括所述權(quán)利要求10所述的投影式頭盔 光學(xué)系統(tǒng)。
全文摘要
一種用于投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡，包括依次設(shè)置的、同光軸的第一折射透鏡、第二折射透鏡、第三折射透鏡和第四折射透鏡；所述四個(gè)折射透鏡之間具有間隙；在所述第二正透鏡和第三正透鏡之間還設(shè)置有衍射元件。本發(fā)明的投影物鏡結(jié)構(gòu)較為簡單，體積較小。本發(fā)明還提供一種投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)及應(yīng)用該系統(tǒng)的頭盔顯示裝置。
文檔編號(hào)G02B13/00GK101907764SQ201010242950
公開日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2010年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月3日
發(fā)明者任志君, 應(yīng)朝福, 王輝, 范長江 申請(qǐng)人:浙江師范大學(xué)