一種頭戴顯示器中提高像質的光學系統的製作方法

2023-05-07 06:08:46

專利名稱：一種頭戴顯示器中提高像質的光學系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學技術領域，特別涉及頭戴顯示器提高像質的光學技術。
背景技術：
現有技術頭戴顯示器(HMD)的光學系統有兩種方式，一種如圖1所示，液晶顯示器件11中的圖像發出的由分束鏡12反射射向凹面反射鏡13，經凹面反射鏡及放大，人眼在出瞳4處觀察到經放大的虛像。另一種如圖2所示，液晶顯示器件21中的圖像的光線經過一個透鏡22再通過分束鏡23反射射向凹面反射鏡24，放大後形成的虛像透過分束鏡在出瞳5被人眼觀察。在頭戴顯示器中(HMD)領域，人們希望它有較大的視場角和出瞳直徑，現有技術為達到此目的，一般是通過減小光學系統的焦距(即減小凹面反射鏡中的半徑)和增大光學系統的口徑(即增大凹面反射鏡的口徑)。但這兩種方法不能任意的減小焦距和增大口徑，因為當達到一定程度後液晶顯示器件會擋住光路；另一方面現有的光學系統技術存在有校正像差，影像放大，提高像質等方面存在有不足。
技術內容本發明要解決的技術問題是針對以上現有技術的不足，設計一種結構簡單，具有一定放大率、可校正像差，提高像質的頭戴顯示器中提高像質的光學系統。
本發明技術的解決方案為一種頭戴顯示器光學系統中提高像質的方法，包括設於焦平面上的液晶顯示器件所發出的光線經過分束鏡後反射向凹面反射鏡，光線凹面反射鏡反射，由出瞳處觀察到成放大虛像，在分束鏡與出瞳之間設有透鏡。頭戴顯示器光學系統中提高像質的方法，所述處於焦平面上的液晶顯示器件與分束鏡之間設有透鏡。為了使頭戴顯示器光學系統體積縮小，所述反射鏡為平面反射鏡。頭戴顯示器光學系統中提高像質的方法，透鏡可以是球面鏡或非球面鏡。
本發明的技術優點在於結構簡單，具有一定放大率，可校正像差，提高像質。


圖1為現有技術之一的光學原理示意圖；圖2為現有技術之二的光學原理示意圖；圖3為本發明原理一示意圖；圖4為本發明原理二示意圖；圖5為本發明原理三示意圖；圖6為本發明原理四示意圖；圖7為本發明原理五示意圖。
具體實施方法由於HMD是一種為人們通過觀察舒適的目視光學系統，一般人們希望它有較大的視場角和出瞳直徑。在傳統的(如圖1和圖2所示)的光學系統中為了達到這個目的，一般是通過減小光學系統的焦距(減小凹反射鏡的半徑)和增大光學系統的口徑(增大凹面反射鏡的口徑)。但是傳統的光學系統並不能任意的減小焦距和增大口徑，因為到一定程序後液晶顯示器件會檔住光路，影響系統的正常使用。為了使我們的光學系統具有比常規光學視場角和出瞳直徑，如圖3在分束鏡2和出瞳之間加一片具有一定光焦度的透鏡或如圖4同時加兩片透鏡，而不是普通平板玻璃。該透鏡可以改善光學系統的性能，使得在保證光學系統正常工作的前提下，可以通過減小光學系統焦距和增加光學系統口徑來達到增加系統視場角和出出瞳直徑的目的起到一定的放大作用。此外，該透鏡還能起消像差、提高像質的作用。為了減少光程，如圖5或圖6把凹面反射鏡改為平面反射鏡，此時透鏡單獨起放大和提高像質的作用。
本發明的頭戴顯示器(HMD)的第一種光學系統如圖3所示1是液晶顯示裝置(LCD)；2是分束鏡(起分光作用)；3是凹面反射鏡；4是透鏡；5是出瞳；即人眼放置的位置，出瞳與人眼的瞳孔相對；在該光學系統中，液晶顯示器件1處於光學系統的焦平面上，其發出的光通過分束鏡2反射射向凹面反射鏡3，從凹面反射鏡3反射的光透過分束鏡2和透鏡4，最後進入出瞳5(人眼)；液顯上的圖像經過光學系統成放大的虛像(處於無窮遠處)，人眼在出瞳位置處就可以觀察液晶上經放大的虛像。
本發明的頭戴顯示器(HMD)的第二種光學系統如圖4所示1是液晶顯示裝置(LCD)；2是透鏡；3是分束鏡(起分光作用)；4是凹面反射鏡；5是透鏡；6是出瞳，即人眼放置的位置，出瞳與人眼的瞳孔相對應。在該光學系統中，液晶顯示器件1處於光學系統的焦平面上，其發出的光通過透鏡2再經過分束鏡3反射射出凹面反射鏡4，從凹面反射鏡4反射的光透過分束鏡3和透鏡4，最後進入出瞳6(人眼)。液晶上的圖像經光學系統成放大的虛像(處於無窮遠處)，人眼在出瞳位置處就可以觀察液晶上經放大的虛像。
本發明的頭戴顯示器(HMD)的第三種光學系統如圖5所示1是液晶顯示裝置(LCD)；2是分束鏡(起分光作用)；3是平面反射鏡；4是透鏡；5是出瞳，即人眼放置的位置，出瞳與人眼的瞳孔相對應。在該光學系統中，液晶顯示器件1處於光學系統的焦平面上，其發出的光通過分束鏡2反射射向平面反射鏡3，從平面反射鏡3反射的光透過分束鏡2和透鏡4，最後進入出瞳5(人眼)。液晶上的圖像經地光學系統成放大的虛像(處於無窮遠處)，人眼在出瞳位置處就可以觀察液晶上經放大的虛像。
本發明的頭戴顯示器(HMD)的第四種光學系統如圖6所示1是液晶顯示裝置(LCD)；2是透鏡；3是分束鏡(起分光作用)；4是平面反射鏡；5是透鏡；6是出瞳，即人眼放置的位置，出瞳與人眼的瞳孔相對應。在該光學系統中，液晶顯示器件1處於光學系統的焦平面上，其發出的光通過透鏡2再經過分束鏡3反射射向平面反射鏡4，從平面反射鏡4反射的光透過分束鏡3和透鏡5，最後進入出瞳6(人眼)。液晶上的圖像經過光學系統成放大的虛像(處於無窮遠處)，人眼在出瞳位置處就可以觀察液晶上經放大的虛像。
第一種光學系統(如圖3)的發明關鍵之處在於，分光器與出瞳之間有一定放大率的透鏡，此透鏡能使整個光學系統的焦距的變小即加大了視場角，整個畫面會比不加透鏡時大許多。這種情況下，可依靠凹面反射鏡及透鏡的非球面來修正像差(如圖7)。該系統是屬於全投入式，二級放大(凹面反射鏡起主要放大作用，透鏡起次要放大作用)的頭戴顯示器。
第二種光學系統(如圖4)的發明關鍵之處在於，分光器與出瞳之間以及LCD與分光器之間都有一片具有一定放大率的透鏡，此光學系統比第一種光學系統的焦距小、視角、畫面大、傳遞函數稍有下降。這種情況下，可依靠凹面反射鏡及兩片透鏡來修正像差(如圖7)。該系統是屬於全投入式，三級放大(凹面反射鏡起主要放大作用，兩片透鏡起次要放大作用)的頭戴式顯示器。
第三種光學系統(如圖5)的發明關鍵之處在於，LCD發出光線經過分光器反射至平面反射鏡進行全反射再通過分光器，此光路能起到摺疊光程、縮小體積等作用；光線最後通過透鏡入射人眼，此光路起到放大、提高傳遞函數、校正像差等作用。此透鏡的焦距也就是整個光學系統的焦距。
第四種光學系統(如圖6)的發明關鍵之處在於，LCD發出光線經過透鏡2及分光器反射至平面反射鏡進行全反射再通過分光器，此光路能起到放大、摺疊光程、縮小體積等作用；光線最後通過透鏡5入射人眼，此光路起到放大、提高傳遞函數、校正像差等作用。透鏡2和5共同分配整個光學系統的光焦度。
本發明在保持由較少元件構成並且是小型結構的情況下，能夠以廣闊的視野觀察對象差修正後及高像質的良好圖像。
如圖3、4、5、6所示，本發明光學系統採用少量光學鏡片(分束鏡、反射器、透鏡)可以達到高倍率及小型化，放大了圖像來自液晶顯示器件的圖像的光線，由分束鏡反射時光能量減少50％，由凹面反射鏡反射回來的光透過分束鏡時，光量又減少50％左右，這樣必須增加LCD或其它顯示裝置的發光亮度。另外本光學裝置，由於是雙目系統，對於雙影像重合度要求很高，這就要求組裝必須符合以下規定凹面反射鏡，光學中心軸承與系統光軸重合。在本發明的實施過程中為了保證上述光軸重合定位精度，必須保證圖3中像源、分光鏡、凹面反射鏡、透鏡裝配精度。並且分光鏡安裝時光學結構保證是在與光軸相交45度。其次，凹面反射鏡安裝精度由四點定位球(非球)面，保證凹面反射鏡幾何中心與系統光軸重合。
權利要求
1.一種頭戴顯示器光學系統中提高像質的方法，包括設於焦平面上的液晶顯示器件(1)所發出的光線經過分束鏡(2)後反射向凹面反射鏡(3)，光線經凹面反射鏡反射，由出瞳(4)處觀察到成放大虛像，其特徵在於，在分束鏡(2)與出瞳(4)之間設有透鏡(6)。
2.根據權利要求1所述的頭戴顯示器光學系統中提高像質的方法，其特徵在於，所述處於焦平面上的液晶顯示器件(1)與分束鏡(2)之間設有透鏡(5)。
3.根據權利要求1所述的頭戴顯示器光學系統中提高像質的方法，其特徵在於，同時設有透鏡(5)和透鏡(6)。
4.根據權利要求1所述的頭戴顯示器光學系統中摺疊光程、縮小體積，其特徵在於，所述反射鏡(3)為平面反射鏡。
5.根據權利要求1或2所述的頭戴顯示器光學系統中提高像質的方法，其特徵在於，所述透鏡(5)或(6)可以是球面鏡或非球面鏡。
全文摘要
一種頭戴顯示器中提高像質的光學系統，涉及光學領域中頭戴顯示器提高像質的光學相關技術。本發明包括設於焦平面上的液晶顯示器件所發出的光線經過分束鏡後反射向凹面反射鏡，光線經凹面反射鏡反射，由出瞳處觀察到成放大的慮像。本發明的主要點在於分束鏡與出瞳之間設有透鏡，該透鏡可以是球面鏡或非球面鏡。本發明結構簡單，對成像有一定放大率，可校正像差，提高像質。
文檔編號G02B27/02GK1432841SQ0211477
公開日2003年7月30日 申請日期2002年1月16日 優先權日2002年1月16日
發明者何軍 申請人:深圳市東方景電子有限公司