本實用新型涉及頭戴顯示器。特別是一種出瞳可調(diào)的頭戴顯示器光學系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

一個典型的頭戴顯示器(以下簡稱為HMD)由微型顯示器和光學系統(tǒng)兩部分組成。HMD作為一種目視光學系統(tǒng)，其光學系統(tǒng)的出瞳與人眼瞳孔重合。為了與人眼視覺有效地配合以達到最佳的顯示效果并實現(xiàn)對入射光能的有效利用，HMD的設計必須充分考慮微型顯示器的亮度、光學系統(tǒng)的視場大小、出瞳參數(shù)以及成像質(zhì)量。其中出瞳參數(shù)作為光學系統(tǒng)的重要設計參數(shù)之一，其主要包括出瞳直徑、出瞳距離以及出瞳間距。在滿足出瞳間距和出瞳距離與人眼瞳孔嚴格匹配的前提下，光學系統(tǒng)出瞳直徑設計值比人眼瞳孔直徑大很多。這主要是考慮到眼睛的亮度調(diào)節(jié)機制，并為了避免人眼的轉(zhuǎn)動使瞳孔與系統(tǒng)出瞳失配過大造成漸暈或像面丟失。通常情況下，人眼瞳孔直徑為2.5～4mm，穿透式HMD的出瞳直徑設計值為10mm～15mm，沉浸式HMD考慮到人眼的轉(zhuǎn)動范圍較小，其出瞳直徑設計值為4mm～6mm。

為了增大光學系統(tǒng)的出瞳直徑，并同時保證HMD的高亮度、大視場、高分辨率顯示以及結(jié)構(gòu)的輕便易攜帶，HMD采用出瞳擴展技術(shù)來解決這一問題。目前基于出瞳擴展技術(shù)的HMD主要有視網(wǎng)膜掃描顯示器(簡稱為RSD)和平板光波導頭戴顯示器。RSD的出瞳擴展原理圖如圖1所示，RSD由光源L、掃描鏡M和光學系統(tǒng)S組成。由于RSD采用的光源發(fā)散角比較小，為了充分利用光源的發(fā)光角度，RSD的光學系統(tǒng)與傳統(tǒng)的目鏡不同，設計光路為物方遠心光路。因此光學系統(tǒng)必然滿足拉赫不變量的約束關(guān)系，為了增大RSD的出瞳P的直徑，必須增大光學系統(tǒng)的物方數(shù)值孔徑。RSD通過在掃描鏡M和光學系統(tǒng)S之間放置出瞳擴展器EEP，其位置與中間像面I完全重合，由此增大光源通過出瞳擴展器EEP的出射角度從而增大RSD的出瞳直徑。目前在RSD中經(jīng)常用到的出瞳擴展器有光纖陣列面板、衍射光學元件、微透鏡陣列等具有固定周期結(jié)構(gòu)的器件。先技術(shù)[1](參見Tapani levola等.Stereoscopic exit pupil expander display.US 2010/0231693)提出了一種在光學襯底上使用輸入耦合、中間體和輸出耦合多個衍射光學元件并合理設置各元件的周期線角度的RSD擴展出瞳方法。先技術(shù)[2](參見Hakan Urey,Karlton.Microlens-array-based exit-pupil expander for full-color displays.Applied Optics,Vol.44No.23,August 2005)給出了微透鏡陣列的出瞳擴展理論，在RSD中采用雙排微透鏡陣列作為出瞳擴展器并分析了微透鏡陣列的對準以及不同的加工方法對出瞳均勻性的影響。先技術(shù)[3](參見曾飛，張新.全息波導頭盔顯示技術(shù).中國光學.Vol.7No.5,2014)綜述了在平板光波導頭戴顯示器通過采用全息波導和衍射光柵組合或采用半透膜陣列波導實現(xiàn)擴展出瞳的方法和技術(shù)。

以上技術(shù)存在的缺點主要有：

1)衍射光學元件或微透鏡陣列的加工難度大，加工工藝復雜，成本高；

2)由衍射作用引起的雜散光和色散很難通過光學系統(tǒng)得以矯正，降低了HMD的成像質(zhì)量；

3)由加工工藝引起的面形誤差以及各衍射級次之間的干涉，降低了HMD出瞳面的照度均勻性；

4)衍射光柵的衍射效率影響HMD的光能利用率，降低了HMD出瞳面的亮度；

5)出瞳擴展器的使用增大了HMD的裝配難度，使其結(jié)構(gòu)復雜；

6)HMD的出瞳擴展器只能將出瞳擴展到固定的數(shù)值，無法實現(xiàn)出瞳的任意調(diào)節(jié)。為了實現(xiàn)不同的出瞳值，HMD必須切換不同的出瞳擴展器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種出瞳可調(diào)的頭戴顯示器光學系統(tǒng)。該光學系統(tǒng)的設計光路為物方遠心光路，具有結(jié)構(gòu)簡單、光能利用率高和成像質(zhì)量高等特點，可在微型顯示器和出瞳位置固定的前提下，采用機械變焦法實現(xiàn)焦距的連續(xù)可調(diào)，從而實現(xiàn)對出瞳直徑的連續(xù)可調(diào)。通過采用該光學系統(tǒng)，頭戴顯示器光學系統(tǒng)不用專門的出瞳擴展器件便可實現(xiàn)出瞳擴展，并根據(jù)HMD使用環(huán)境的不同實現(xiàn)對出瞳的智能調(diào)節(jié)。

本實用新型的技術(shù)解決方案如下：

一種出瞳可調(diào)的頭戴顯示器光學系統(tǒng)，其特點在于該光學系統(tǒng)由前固定組、變焦組、補償組和后固定組組成，其位置關(guān)系為：微型顯示器或中間像面作為物面，依次為所述的前固定組、變焦組、補償組和后固定組，且所述的前固定組、變焦組、補償組和后固定組相對光軸呈軸對稱放置，所述的前固定組和后固定組在光學系統(tǒng)變焦的過程中始終保持位置不變，所述的變焦組和補償組在光學系統(tǒng)變焦的過程中按照各自的曲線沿光軸移動。所述的變焦組和補償組在移動過程中保持光學系統(tǒng)的前焦平面和后焦平面固定，使光學系統(tǒng)的前焦平面和物面重合，光學系統(tǒng)的后焦平面和出瞳重合。

所述的前固定組為正透鏡組，以微型顯示器或其中間像面作為光學系統(tǒng)的物面，其像面與后焦平面重合，所述的前固定組采用正負透鏡組合的膠合透鏡，正光焦度透鏡的材料為冕牌玻璃，負光焦度透鏡材料為火石玻璃，采用具有折射率差異的透鏡組校正多波長引起的色差，所述的前固定組中使用的透鏡前后表面均為球面并鍍有抗反膜AR。

所述的變焦組為負透鏡組，各透鏡安裝在機械結(jié)構(gòu)上并通過凸輪控制，所述的變焦組中使用的透鏡前后表面均為球面并鍍有抗反膜AR。

所述的補償組為正透鏡組，所述的補償組的各透鏡安裝在機械結(jié)構(gòu)上并通過凸輪控制，所述的補償組中使用的透鏡前后表面均為球面并鍍有抗反膜AR。

所述的后固定組為負透鏡組，其物面與前焦平面重合，出瞳與人眼瞳孔位置重合，所述的后固定組中使用的透鏡前后表面均為球面并鍍有抗反膜AR。

與先技術(shù)相比，本實用新型能獲得的有益效果如下：

1.該光學系統(tǒng)在保證微型顯示器和出瞳位置固定的前提下，通過移動變焦組和補償組連續(xù)增大HMD的出瞳直徑，即HMD不需要加入出瞳擴展器便可實現(xiàn)對出瞳的擴展，從而避免了HMD整體結(jié)構(gòu)的變化，降低了其加工裝配難度；

2.該光學系統(tǒng)可以實現(xiàn)焦距的連續(xù)可調(diào)，可使出瞳直徑在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，因此，該光學系統(tǒng)可根據(jù)HMD使用環(huán)境的不同實現(xiàn)對出瞳的智能調(diào)節(jié)。

3.該光學系統(tǒng)的設計光路為物方遠心光路，可以充分利用微顯示器的發(fā)散角，在人眼瞳孔處形成均勻性照度分布。另外，光學系統(tǒng)采用的透鏡材料均為玻璃，具有高透過率，可以提高了HMD的光能利用率；

4.該光學系統(tǒng)的設計光路在保證成像范圍大小一定的前提下，當焦距為最大值時可減小入射到人眼瞳孔的視場，從而降低了光學系統(tǒng)的畸變，提高了HMD的成像質(zhì)量；

5.該光學系統(tǒng)在變焦過程中，其前后焦平面是固定的，HMD的入瞳始終位于無窮遠處，增大了HMD的觀察范圍；

附圖說明

圖1視網(wǎng)膜掃描顯示器的出瞳擴展原理圖

圖2本實用新型出瞳可調(diào)的頭戴顯示器光學系統(tǒng)原理圖

圖3本實用新型出瞳可調(diào)的頭戴顯示器光學系統(tǒng)實施例在不同設計參數(shù)時的光路圖,其中(a)為設計參數(shù)焦距f＝20mm出瞳直徑D＝2mm的設計光路圖；(b)為設計參數(shù)焦距f＝60mm出瞳直徑D＝6mm的設計光路圖；(c)為設計參數(shù)焦距f＝100mm出瞳直徑D＝10mm的設計光路圖。

圖4本實用新型實施例的像差曲線，其中(a)為設計參數(shù)焦距f＝20mm出瞳直徑D＝2mm的像差曲線；(b)為設計參數(shù)焦距f＝60mm出瞳直徑D＝6mm的像差曲線；(c)為設計參數(shù)焦距f＝100mm出瞳直徑D＝10mm的像差曲線。

圖5本實用新型實施例的彌散斑，其中(a)為設計參數(shù)焦距f＝20mm出瞳直徑D＝2mm的彌散斑；(b)為設計參數(shù)焦距f＝60mm出瞳直徑D＝6mm的彌散斑；(c)為設計參數(shù)焦距f＝100mm出瞳直徑D＝10mm的彌散斑。

圖6本實用新型實施例的傳遞函數(shù)曲線，其中(a)為設計參數(shù)焦距f＝20mm出瞳直徑D＝2mm的傳遞函數(shù)曲線；(b)為設計參數(shù)焦距f＝60mm出瞳直徑D＝6mm的傳遞函數(shù)曲線；(c)為設計參數(shù)焦距f＝100mm出瞳直徑D＝10mm的傳遞函數(shù)曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例和附圖詳細說明本實用新型。

本實用新型出瞳可調(diào)的頭戴顯示器光學系統(tǒng)如圖2所示。由圖可見，本實用新型出瞳可調(diào)的頭戴顯示器光學系統(tǒng)，由前固定組L1、變焦組L2、補償組L3和后固定組L4組成，其位置關(guān)系為：微型顯示器或中間像面作為物面，依次為所述的前固定組L1、變焦組L2、補償組L3和后固定組L4，且所述的前固定組、變焦組、補償組和后固定組相對光軸呈軸對稱放置，所述的前固定組和后固定組在光學系統(tǒng)變焦的過程中始終保持位置不變，所述的變焦組和補償組在光學系統(tǒng)變焦的過程中按照各自的曲線沿光軸移動。所述的變焦組和補償組在移動過程中保持光學系統(tǒng)的前焦平面和后焦平面固定，使光學系統(tǒng)的前焦平面和物面重合，光學系統(tǒng)的后焦平面和出瞳重合。

所述的前固定組L1為正透鏡組，以微型顯示器或其中間像面作為光學系統(tǒng)的物面，其像面與后焦平面重合，即物面上不同視場的主光線在物空間相互平行。具體地，所述的前固定組L1采用正負透鏡組合的膠合透鏡，以校正光學系統(tǒng)的球差。其中，正光焦度透鏡的材料為冕牌玻璃，負光焦度透鏡材料為火石玻璃，通過采用具有折射率差異的透鏡組可校正多波長引起的色差。所述的前固定組L1中使用的透鏡前后表面均為球面并鍍有抗反膜AR。

所述的變焦組L2為負透鏡組，其主要作用是實現(xiàn)光學系統(tǒng)的焦距連續(xù)可變，改變光學系統(tǒng)的出瞳直徑。具體地，所述的變焦組L2由一系列透鏡組成，各透鏡安裝在機械結(jié)構(gòu)上并通過凸輪控制，沿著光軸向遠離物面的方向移動，使焦距連續(xù)變大，即連續(xù)增大出瞳的直徑。所述的變焦組L2中使用的透鏡前后表面均為球面并鍍有抗反膜AR。

所述的補償組L3為正透鏡組，用于補償所述的變焦組L2在移動過程中引起的像面移動，使像面固定到后固定組L4要求的物面上，同時補償前固定組L1和變焦組L2引起的像差。具體地，所述的補償組L3由一系列透鏡組成，各透鏡安裝在機械結(jié)構(gòu)上并通過凸輪控制，其移動方向與所述的變焦組L2移動方向相同以免引起碰撞。所述的補償組L3中使用的透鏡前后表面均為球面并鍍有抗反膜AR。

所述的后固定組L4為負透鏡組，其物面與前焦平面重合，出瞳與人眼瞳孔位置重合。其主要作用是使像差與所述的前固定組L1、變焦組L2和補償組L3相匹配，平衡整個光學系統(tǒng)的像差，并保證光學系統(tǒng)的物面經(jīng)過所述的前固定組L1、變焦組L2和補償組L3后,在出瞳處始終形成均勻照度分布。所述的后固定組L4中使用的透鏡前后表面均為球面并鍍有抗反膜AR。

所述的變焦組L2和補償組L3在焦距變化過程中，透鏡移動的位置是一一對應的，兩個透鏡組的移動必須用復雜的凸輪來控制。

所述的變焦組L2和補償組L3的透鏡移動范圍不超過整個光學系統(tǒng)長度的15％，可實現(xiàn)出瞳直徑連續(xù)擴展5倍，用于移動透鏡的機械結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。

所述的變焦組L2和補償組L3在透鏡移動過程中，光學系統(tǒng)的前焦平面和后焦平面始終保持不變，實現(xiàn)物方遠心光路并以均勻照度照明人眼瞳孔。

本實用新型出瞳可調(diào)的頭戴顯示器光學系統(tǒng)的工作過程：

微型顯示器傳遞的圖形或經(jīng)過掃描機構(gòu)形成的中間像，經(jīng)過具有正光焦度的前固定組L1，成像于其后焦平面上，該像通過變焦組L2和補償組L3后再次成像。在移動變焦組L2和補償組L3的透鏡過程中，該像面位置始終與后固定組L4的前焦平面重合，而像面上各視場點的數(shù)值孔徑隨著焦距的改變而改變，由于后固定組L4的焦距不變，從而實現(xiàn)光學系統(tǒng)的出瞳直徑連續(xù)可調(diào)。

本實用新型實施例的工作波段為可見光波段，中心波長λ＝587.56nm，選擇微型顯示器的圖像分辨率為800×600pixels，像素尺寸為12.6um，光學系統(tǒng)的最大視場角為20°×28°，F(xiàn)/#為12.5，光學系統(tǒng)的焦距變化范圍20mm～100mm，因此，其出瞳直徑可實現(xiàn)從2mm擴展到10mm，并隨著焦距的變化連續(xù)可調(diào)。本實施例的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

該實施例的光學設計光路圖如圖3所示，其中

(a)設計參數(shù)焦距f＝20mm出瞳直徑D＝2mm的設計光路圖；

(b)設計參數(shù)焦距f＝60mm出瞳直徑D＝6mm的設計光路圖；

(c)設計參數(shù)焦距f＝100mm出瞳直徑D＝10mm的設計光路圖。

實施例采用透鏡表面均為球面，目前光學系統(tǒng)中自由曲面面形、非球面面形的應用已經(jīng)足夠成熟，可對現(xiàn)在的設計結(jié)果進一步簡化。

最后，利用Gullstrand人眼模型模擬真實人眼，評價該實施例在不同焦距時在人眼視網(wǎng)膜上的成像質(zhì)量。圖4為本實用新型實施例結(jié)合人眼模型的成像光學系統(tǒng)的像差曲線。其中：

(a)設計參數(shù)焦距f＝20mm出瞳直徑D＝2mm時成像光學系統(tǒng)的像差曲線；

(b)設計參數(shù)焦距f＝60mm出瞳直徑D＝6mm時成像光學系統(tǒng)的像差曲線；

(c)設計參數(shù)焦距f＝100mm出瞳直徑D＝10mm時成像光學系統(tǒng)的像差曲線。

從圖中可以看出，實施例焦距變化范圍內(nèi)，成像光學系統(tǒng)焦面偏移在弧矢與子午面上都小于10um，全視場范圍內(nèi)的畸變小于3.25％。

圖5為本實用新型實施例結(jié)合人眼模型的成像光學系統(tǒng)的彌散斑。其中：

(a)設計參數(shù)焦距f＝20mm出瞳直徑D＝2mm時成像光學系統(tǒng)的彌散斑；

(b)設計參數(shù)焦距f＝60mm出瞳直徑D＝6mm時成像光學系統(tǒng)的彌散斑；

(c)設計參數(shù)焦距f＝100mm出瞳直徑D＝10mm時成像光學系統(tǒng)的彌散斑。

從圖中可以看出，實施例焦距變化范圍內(nèi)，成像光學系統(tǒng)的彌散斑RMS值小于10um。

圖6為本實用新型實施例結(jié)合人眼模型的成像光學系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。其中:

(a)設計參數(shù)焦距f＝20mm出瞳直徑D＝2mm時成像光學系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；

(b)設計參數(shù)焦距f＝60mm出瞳直徑D＝6mm時成像光學系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；

(c)設計參數(shù)焦距f＝100mm出瞳直徑D＝10mm時成像光學系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

從圖中可以看出，實施例焦距變化范圍內(nèi)，成像光學系統(tǒng)的傳遞函數(shù)在線性分辨率50lp/mm時大于0.66。因此，本實用新型實施例可以滿足頭戴顯示器光學系統(tǒng)的要求。

實驗表明，本實用新型出瞳可調(diào)的頭戴顯示器光學系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、光能利用率高和成像質(zhì)量高等特點，可在微型顯示器和出瞳位置固定的前提下，采用機械變焦的方法實現(xiàn)出瞳直徑的連續(xù)可調(diào)。通過采用該光學系統(tǒng)，頭戴顯示器光學系統(tǒng)不用專門的出瞳擴展器件便可實現(xiàn)出瞳擴展，并根據(jù)HMD使用環(huán)境的不同實現(xiàn)對出瞳的智能調(diào)節(jié)。

本實用新型中所述的只是本實用新型的一種具體實施例，僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非對本實用新型的限制。凡本領(lǐng)域技術(shù)人員依本實用新型的構(gòu)思通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應在本實用新型的范圍之內(nèi)。