专利名称：自由曲面双焦面单目立体头盔显示器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自由曲面棱镜式头盔显示器用光学系统，尤其是单目就能够产生具有真实立体显示效果的紧凑型双焦面头盔显示器用光学系统。
背景技术：
产生人眼三维视觉的主要因素有物体的大小、物体的清晰程度和物体对于双眼的视差。通常人眼的汇聚和辐辏相互关联给人产生深度感信息。但是传统的双目头盔显示器提供的聚焦和辐辏信息是不一致的。因为光线从单个焦面上发出，人眼为了看清物体，需要聚焦在固定的焦面上。而通常立体图像具有一定的深度，即位于聚焦面的前后，立体感越强，聚焦和辐辏两者之间的差异就越大。这样导致人眼的汇聚与辐辏不一致，容易造成使用者眼部疲劳。为了消除人眼的汇聚和辐辏不一致的矛盾，科学家们提出了多种解决方案，包括变焦面的头盔显示器和多焦面的头盔显示器。变焦面头盔显示器的主要解决方法可分为两类改变像面位置或改变光学系统位置。多焦面头盔显示解决方案可分为时分复用和空间复用的头盔显示方案。空间复用方法是在目视光学元件前放置层叠式的微显示器，通过在不同的微显示器上显示不同深度的图像产生深度信息，但是由于后方的图像需要通过若干个微显示器，图像的亮度得不到保证等不足；采用分光镜实现多光路的集成，使系统包含多个焦面，各焦面产生的深度信息各有差异，但是此类系统体积庞大笨重，不利于实现小型轻量化，不利佩戴在头部，如专利附图1所示。时分复用多焦面头盔显示器采用液体透镜、变形镜或者双折射率透镜等调节系统的光焦度，进而改变不同时间状态下系统的观察距离， 此类系统对微显示器以及这些关键光学元件的刷新频率有较高的要求。如果需要构建较多的焦面，对光学系统中最低的刷新频率有更高的要求。本发明在空间复用多焦面头盔显示技术的基础上，结合自由曲面光学技术，实现紧凑轻便型的双焦面头盔显示技术，使用户仅通过单目目视光学系统就能够观察到立体图像，且符合人眼的自然视觉。
发明内容
本发明旨在解决以上描述的现有多焦面立体显示专利技术的不足，提供紧凑轻便型的自由曲面双焦面单目头盔显示器光学系统，适合于佩戴在用户的头部，产生的立体显示效果符合人眼的自然视觉特性，缓解传统立体头盔显示器的视疲劳。
图1为现有技术的光学系统分焦面方式；图2为本发明实施例一的光学系统合成图；图3为本发明实施例二的光学系统合成图；图4为本发明实施例三的光学系统合成图5为本发明实施例四的光学系统合成图。
具体实施例方式以下根据附图描述本发明的具体结构，本发明的光学系统采用了反向光路设计， 即光线从眼睛出发最终达到微型显示器上。为方便描述，光线追迹方向从出瞳位置出发经过光学系统最终到达微型显示器上。实施例中采取了球面、非球面来描述曲面的面形，大部分曲面的面形通过采用复曲面XY多项式曲面(AXYP)进行描述，表格中表面类型栏中，sph代表该面为球面，asp代表该面为非球面，默认情况为AXYP曲面。非球面方程Z =-CX' , , 1/9 +Ax4+ Bx6 + Cx8 + Dxi0
1 +[1-(1+ AOc2X2]1'2其中，c是曲面的顶点曲率半径，k是二次曲面系数，A，B，C，D分别是非球面的4th， 6th，8th，10th非球面系数。AXYP曲面方程ζ = 1 n n…2V/2 +ΣΣ‘，“产Y \<m + n<p(2-4)
1 + (1 - (1 + ^ )c]x2 -(1 +ky )c]y2 f2 ^ti其中，cx，cy分别是曲面在子午方向和弧矢方向的顶点曲率半径，kx，ky分别是子午和弧矢方向的二次曲面系数，C(ffl,n)是多项式xmyn的系数，ρ为多项式的最高幂数。根据本发明的一种实施方式，双焦面单目立体头盔显示装置的结构如专利附图1 所示，包括两个光学曲面棱镜和两个微型显示器，分别形成两个深度不同的观察平面。在渲染微显示器的图像时应用适当的光强度滤波器，使用户感觉到所观察的图像位于屏幕109 和110之间，即产生具有一定深度的立体显示效果。包含第一个焦面的光学系统的光路形成方式是第一个焦面的光路由光学曲面101、102和103构成，它们内部形成的腔体由玻璃材料填充。按反向光线追迹描述，光线从位于出瞳处的人眼出发，从光学曲面101的前表面入射到该光学曲面上并发生透射，到达光学曲面102上，由于光学曲面102镀有半反半透膜，光线在此分成两束，一束发生反射后并再次从光学表面101的后方入射到该表面上，光线发生全反射后入射到光学曲面103上并最终透射离开楔形棱镜，达到微型显示器106上。 与像面107对应的观察屏幕位于110处。表1列出了该焦面生成光路各光学曲面的偏心和倾斜数据，表3列出了第一实施例中所有表面的参数数据。包含第二个焦面的光学系统的光路形成方式是第二观察屏幕的光路由光学曲面101、102、104和105组成，光线从人眼出发，经过光学曲面101透射，入射到光学曲面102再次透射，入射到光学曲面104后发生反射，反射后的光线经由光学曲面105透射并到达第二个像面107上。与像面107对应的观察屏幕位于109处。表2列出了该焦面生成光路各光学曲面的偏心和倾斜数据。表1实施例一中第一焦面光路各光学表面偏心倾斜角度
权利要求
1.一种真实立体深度感头盔显示装置，由以下几个部分组成第一微型显示器和第二微型显示器，分别用于显示一幅距离人眼较近和较远的观察图像，也可以分别用于显示一幅距离人眼较远和较近的观察图像；两幅显示图像与人眼的距离不同，但是它们覆盖的视场区域相同，第一幅图像侧重于渲染三维场景中深度较近的物体，第二幅图像侧重于渲染三维场景中深度较远的物体；第一光学曲面棱镜，用于将第一微显示器上显示的图像放大和成像到距离人眼较近的距离；第二光学曲面棱镜，用于将第二微显示器上显示的图像放大和成像到距离人眼较远的距离；第一光学曲面棱镜和第二光学曲面棱镜中有一对面形参数数值相同但是符号相反的曲面，即第一光学曲面棱镜的第二光学表面和第二光学曲面棱镜的第一光学表面，通过这两个曲面的胶合实现两个棱镜的无缝连接，该表面镀有半反半透膜，以实现两个焦面图像的融合。
2.根据权利要求1所述的第一光学曲面棱镜包含三个光学自由曲面，其特征在于光线至少在光学曲面上发生一次反射，第二光学曲面为凹形反射面，三个光学表面包围的空间由折射率大于1.4的玻璃或树脂光学材料填充，光学曲面可以是球面、非球面或是自由曲面，例如复曲率XY多项式曲面；第一微型显示器发出的光线经由第三光学曲面进入第一光学曲面棱镜，经过第一光学表面反射到第二光学表面，经过第二光学表面反射后再次经过第一光学表面透射进入人眼。
3.根据权利要求1所述的第二光学曲面棱镜包含三个光学自由曲面，其特征在于光线至少在光学曲面上发生一次反射，三个光学表面包围的空间由折射率大于1. 4的玻璃或树脂光学材料填充；光学曲面可以是球面、非球面或是自由曲面，例如复曲率XY多项式曲面；第二微型显示器发出的光线经由第三光学曲面进入第二光学曲面棱镜，经过第二光学表面反射到第一光学表面，依次通过第一光学棱镜的第二和第一光学曲面透射后到达系统的出瞳。
4.根据权利要求1所述的第一光学曲面棱镜包含三个光学自由曲面，其特征在于光线至少在光学曲面上发生一次反射，三个光学表面包围的空间由折射率大于1.4的玻璃或树脂光学材料填充，光学曲面可以是球面、非球面或是自由曲面，例如复曲率XY多项式曲面；第一微型显示器发出的光线经由第三光学曲面进入第一光学曲面棱镜，经过第一光学表面反射到第二光学表面，经过第二光学表面反射后再次经过第一光学表面透射进入人眼。
5.根据权利要求1所述的第二光学曲面棱镜包含三个光学自由曲面，其特征在于光线至少在光学曲面上发生一次反射，三个光学表面包围的空间由折射率大于1. 4的玻璃或树脂光学材料填充，光学曲面可以是球面、非球面或是自由曲面，例如复曲率XY多项式曲面；第二微型显示器发出的光线经由第三光学曲面进入第二光学曲面棱镜，经过第一光学表面反射到第二光学表面，并再次反射到达第一光学表面透射，最后依次通过第一光学棱镜的第二和第一光学曲面透射后到达系统的出瞳。
6.根据权利要求1所述的第一光学曲面棱镜包含三个光学自由曲面，其特征在于光线至少在光学曲面上发生一次反射，三个光学表面包围的空间由折射率大于1.4的玻璃或树脂光学材料填充，光学曲面可以是球面、非球面或是自由曲面；第一微型显示器发出的光线经由第三光学曲面透射进入第一光学曲面棱镜，经过第二光学表面反射到第一光学表面，经过第一光学表面透射进入系统出瞳。
7.根据权利要求1所述的第二光学曲面棱镜包含三个光学自由曲面，其特征在于光线至少在光学曲面上发生一次反射，三个光学表面包围的空间由折射率大于1. 4的玻璃或树脂光学材料填充，光学曲面可以是球面、非球面或是自由曲面；第二微型显示器发出的光线经由第三光学曲面进入第二光学曲面棱镜，经过第一光学表面反射到第二光学表面，并再次反射到达第一光学表面透射，最后依次通过第一光学棱镜的第二和第一光学曲面透射后到达系统的出瞳。
8.根据权利要求1所述的第一光学曲面棱镜包含三个光学自由曲面，其特征在于光线至少在光学曲面上发生一次反射，三个光学表面包围的空间由折射率大于1.4的玻璃或树脂光学材料填充，光学曲面可以是球面、非球面或是自由曲面；第一微型显示器发出的光线经由第三光学曲面透射进入第一光学曲面棱镜，经过第二光学表面反射到第一光学表面，经过第一光学表面透射进入系统出瞳。
9.根据权利要求1所述的第二光学曲面棱镜包含三个光学自由曲面，其特征在于光线至少在光学曲面上发生一次反射，三个光学表面包围的空间由折射率大于1. 4的玻璃或树脂光学材料填充，光学曲面可以是球面、非球面或是自由曲面；第二微型显示器发出的光线经由第三光学曲面进入第二光学曲面棱镜，经过第二光学表面反射到第一光学表面，依次通过第一光学曲面棱镜的第二和第一光学曲面透射后到达系统的出瞳。
全文摘要
本发明提供一种真实立体感单目双焦面头盔显示装置，其包括第一光学曲面棱镜和第二光学曲面棱镜，表面可以是球面、非球面或自由曲面，每个棱镜包含三个光学表面；和显示部件，包括第一微型显示器和第二微型显示器。第一光学曲面棱镜和第一微型显示器构成第一显示焦面，第二光学曲面棱镜和第二微型显示器构成第二显示焦面，分别产生一个距离人眼较近(较远)和较远(较近)的观察屏幕，通过深度图像融合产生具有真实立体感的观察图像。根据本发明的单目双焦面头盔显示装置结构紧凑、重量轻，尤其对于立体头盔显示装置，提供了符合人眼自然视觉的立体头盔显示器，传统立体头盔显示器中聚焦和辐辏不一致的问题，解决舒适度问题，有效缓解视觉疲劳。
文档编号G02B27/01GK102402005SQ20111040419
公开日2012年4月4日 申请日期2011年12月6日 优先权日2011年12月6日
发明者刘越, 王涌天, 程德文 申请人:北京理工大学