专利名称：宽视场高分辨率拼接式头盔显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种拼接式头盔显示装置，并且特别地，本发明涉及一种包括采用自由形式表面的楔形棱镜的拼接式头盔显示装置。
背景技术：
用于虚拟现实和增强显示的头盔图像显示装置是近年来显示领域的热门产品，取得了长足的发展。头盔图像显示装置可以应用于如3D电影、视频游戏和运动等应用，也可以应用于如科学研究、医疗/业务培训、飞行训练、沉浸式娱乐等高端应用。为了成为有用和有效的显示系统，头盔显示装置必须能够产生高真实度和宽视场的景象。它也需要结构紧凑、重量轻，以减轻用户的颈部的疲劳。头盔显示装置典型地由三个部分构成显示部件、光学系统和头盔。为了减轻头 盔显示装置的重量，关键的是使用具有短焦距和微型显示器的光学系统。但光学系统的紧凑性与头盔显示装置的成像质量的要求之间存在一定的矛盾。对于头盔显示装置而言，需要使得光学系统具有比较大的视场和出瞳直径。大的视场增加了浸没感且允许用户更好地观察动态物体。而大出瞳直径可以允许用户在观察过程中眼珠能随意转动而不至于丢失图像。而且它也允许具有不同瞳间距的各种用户来使用该系统，而无需调整头盔的瞳间距。然而，光学系统的视场、出瞳直径、光学系统的分辨率三者之间有相互制约的关系，因此同时达到大视场，大出瞳直径和高分辨率并不容易。对于针对每只眼采用具有单个微型显示器的单显示通道的传统的头盔显示器光学系统，其视场角和分辨率存在以下的关系R = N/F0V，其中R为显示系统的分辨率，N为单个微型显示器分辨率，FOV为显示系统的视场角。在N为一定值时，R与FOV相互制约，即视场角大时系统分辨率必然降低，因此采用单个显示通道的传统的头盔显示器光学系统很难同时满足大视场和高分辨率的要求。在 J. E. Melzer 的论文 “Overcoming the fieId-of-view/resolution invariantinhead-mounted displays (克服头蓝显示装置中视场/分辨率不变量)” Proc.SPIE, Vol.3362,284 (1998), L.G.Brown 的论文“Applications of the SensicspanoramicHMD(Senscics 全景头蓝应用)”，SID Symposium Digest 39, 77 (2008),以及M. Gutin 的论文 “Automated design and fabrication of ocular optics (目视光学的自动设计与加工)”，Proc. SPIE 7060，(2008)中，提出了一种基于传统的旋转对称目镜的拼接式头盔光学显示系统。图Ia示出了该光学拼接系统的示意图以及该系统的各显示通道的畸变校正情况示意图，而图Ib示出了在微型显示器显示规则矩形图像的情况下，通过将两个旋转对称目镜拼接而成的系统在屏幕上观察到的图像的示意图。如图Ia所示，基于传统的旋转对称目镜的该拼接式头盔光学显示系统需要将较多数量的目镜拼接在一起，才能获得令人满意的视场。由于各显示通道及其对应的微型显示器与用户的实际视线发生旋转偏移，造成显示通道的像面倾斜。在该情形，拼接系统各处的图像放大率发生改变，导致位于边缘的显示器在光瞳中所呈现的图像发生畸变。如图Ib所示，微型显示器显示的规则矩形图像通过该旋转对称拼接目镜的系统则被观察为梯形的形状。因此该光学拼接系统需要进行预畸变校正，否则人眼观察到的将是失真的像。举例而言，该系统对于规则矩形图像的畸变预处理如图Ia的右侧图所示，位于中心的显示通道显示器图像不变，仍为规则矩形；而位于边缘的显示通道显示器的图像需做图示的畸变处理，成为梯形。另外，由于拼接过程中需要将位于边缘的目镜绕系统的出瞳中心旋转，所以出瞳距离，也就是人眼到拼接目镜的最小距离减小。如图Ia所示，该光学拼接系统的出瞳距离
小于单显示通道目镜的出瞳距离ec。因此要满足头盔显示系统的整体的出瞳距离要求，使其也可用于例如戴眼镜或面具的用户，必须增大单个目镜的出瞳距离。而且，各单通道目镜的出瞳面不重合，相互倾斜。因此用户的眼睛转动时很容易看到不连续的图像，系统有效出瞳直径减小，还可能引起光瞳像差。另外，在图Ia所示的系统中，旋转对称目镜位 于人眼和微型显示器的之间。如要头盔显示系统被用于增强现实，则要加入半反射半透射光学部件以满足光学透射和反射的要求，同时又为了保证最小的出瞳距离(半反射镜到人眼)，目镜尺寸会进一步增加。对于多个目镜拼接而成的系统而言，光学系统的结构大大复杂化，光学系统的重量和大小都随之显著增加。而且，该旋转对称目镜的拼接工艺复杂，需要额外加工拼接面。对于该拼接系统，每个目镜的拼接面的位置和角度随着目镜在拼接系统中的位置的不同有所差异。位于中心的目镜需要加工出三到四个倾斜的拼接面。不同位置的目镜的拼接面加工要求也不相同。因此，该拼接系统在位置精度要求比较高的情况下的加工和装调都十分困难。因此，需要一种新型的具有大视场和高分辨率的头盔显示装置。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种拼接式头盔显示装置，其包括光学部件，包括多个自由形式表面棱镜，每个棱镜为包含第一光学面、第二光学面和第三光学面的楔形棱镜；和显示部件，包括多个微型显示器。微型显示器的数量等于自由形式表面棱镜的数量。每个自由形式表面棱镜和其对应的微型显示器构成一个显示通道。该拼接式头盔显示装置的坐标系定义为全局坐标原点O位于出瞳中心(眼瞳)，Z轴为人眼视线方向，Y轴垂直于Z轴且方向沿着人眼正上方；X轴垂直Y轴与Z轴，构成笛卡尔坐标系。多个显示通道以马赛克样式拼接，类似于电视墙，使得拼接后的多个显示通道的总视场相当于来自单个显示通道的视场的邻接在一起。拼接装置的的每个显示通道的出瞳中心均位于共同的一点，即眼瞳中心。该棱镜可以包括相对于X轴按逆时针布置的第一光学面、第二光学面和第三光学面。第一光学面和第二光学面均为自由形式表面，第三光学面选自自由形式表面、球面或非球面。第一光学面为透射面，第二光学面为凹面形状的反射面或半折射半反射表面，且第三光学面为透射面。第一光学面、第二光学面和第三光学面的自由形式表面的表面方程应满足方程
(I)至(5)中的一种
权利要求
1.一种拼接式头盔显示装置，包括 光学部件，包括多个自由形式表面棱镜，每个棱镜为包含第一光学面、第二光学面和第三光学面的楔形棱镜； 显示部件，包括多个微型显示器，其中微型显示器的数量等于自由形式表面棱镜的数量， 其中，每个自由形式表面棱镜和其对应的微型显示器构成一个显示通道，系统坐标系定义为全局坐标原点O位于出瞳中心，Z轴为人眼视线方向，Y轴垂直于Z轴且方向沿着人眼正上方；x轴垂直Y轴与Z轴，构成笛卡尔坐标系； 其中，多个显示通道拼接，使得拼接式装置的总视场基本是每个显示通道的单独视场的叠加，并且拼接式装置的每个显示通道的出瞳中心均位于用户人眼的瞳孔中心。·
2.如权利要求I所述的拼接式头盔显示装置，其中，所述自由形式表面棱镜(101)包括相对于X轴按逆时针布置的第一光学面(2)、第二光学面(3)和第三光学面(4)，第一光学面(2)和第二光学面(3)均为自由形式表面，第三光学面(4)选自自由形式表面、球面或非球面；第一光学面(2)为透射面，第二光学面(3)选自凹面形状的反射面或半透射半反射面，第三光学面(4)为透射面。
3.如权利要求I或2所述的拼接式头盔显示装置，其中所述多个显示通道采用光学拼接方式进行拼接，其中每个棱镜(102)的第一光学面(2)、第二光学面(3)和第三光学面(4)满足以下条件(1)-(3) 18 ( Zpd ( 28(I)I.5 彡 ZPd, -Zpd ( 3(2) Zpc彡出瞳距离即15 (3) 其中，Pc为Ru与第一光学面(2)发生全反射时的交点，Pd为水平视场主光线Re与第一光学面⑵的交点，Pd为Re与第二光学面(3)的交点， 其中，所述光学拼接方式包括第一光学拼接方式和第二光学拼接方式， 其中，在所述第一光学拼接方式中，要被拼接的两个棱镜的底面(11)直接粘接在一起，每个棱镜的底面位于第一光学面(2)和第二光学面(3)之间， 其中，在所述第二光学拼接方式中，相应棱镜的侧面(22，23)直接粘接，所述棱镜的侧面与该棱镜的第一光学面(2)、第二光学面(3)和第三光学面(4)相交。
4.如权利要求2或3所述的拼接式头盔显示装置，其中所述棱镜(101；102)所用光学 材料的折射率和阿倍数为1.4 < Ndl <1.8和Vdl > 20。
5.如权利要求2或3所述的拼接式头盔显示装置，其中所述自由形式表面棱镜(101；102)的一阶焦距 f 为14 < f < 27mm。
6.如权利要求2所述的拼接式头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括第一机械拼接方式拼接的第一显示通道和第二显示通道，第一显示通道在YOZ面绕全局坐标系X轴旋转第一角度，而第二显示通道则绕人眼视线方向Z轴旋转±180°后再绕全局坐标系X轴反方向旋转第一角度。
7.如权利要求6所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为50度，垂直方向视场角至少为40度。
8.如权利要求2所述的拼接头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括通过第二机械拼接方式拼接的第一显示通道和第二显示通道，第一显示通道在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第二显示通道绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度。
9.如权利要求8所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为70度，垂直方向视场角至少为30度。
10.如权利要求2所述的拼接头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括绕全局坐标系Y轴旋转一预定角度的第一显示通道、第二显示通道和第三显示通道，第二显示通道通过第二机械拼接方式分别与第一显示通道和第三显示通道拼接。
11.如权利要求10所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为100度，垂直方向视场角至少为30度。
12.如权利要求2所述的拼接头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括绕全局坐标系Y轴旋转一预定角度的第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道，第二显示通道通过第二机械拼接方式分别与第一显示通道和第三显示通道拼接，第三显示通道通过第二机械拼接方式分别与第二显示通道和第四显示通道拼接。
13.如权利要求12所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为120度，垂直方向视场角至少为30度。
14.如权利要求2所述的拼接头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道，第一显示通道和第三显示通道在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第二显示通道和第四显示通道绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度；第一显示通道和第二显示通道通过第二机械拼接方式拼接，第三显示通道和第四显示通道通过第二机械拼接方式拼接，第一显示通道和第三显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第二显示通道和第四显示通道通过第一机械拼接方式拼接。
15.如权利要求14所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为70度，垂直方向视场角至少为50度。
16.如权利要求2所述的拼接头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道、第五显示通道和第六显示通道，第一显示通道、第二显示通道和第三显示通道绕全局坐标系Y轴旋转一预定角度，第四显示通道、第五显示通道和第六显示通道绕全局坐标系Y轴旋转该预定角度；第二显示通道通过第二机械拼接方式分别和第一显示通道和第三显示通道拼接，第五显示通道通过第二机械拼接方式分别和第四显示通道和第六显示通道拼接，第一显示通道和第四显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第二显示通道和第五显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第三显示通道和第六显示通道通过第一机械拼接方式拼接。
17.如权利要求16所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为100度，垂直方向视场角至少为50度。
18.如权利要求2所述的拼接头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道、第五显示通道、第六显示通道、第七显示通道和第八显示通道，第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道绕全局坐标系Y轴旋转一预定角度，第五显示通道、第六显示通道和第七显示通道和第八显示通道绕全局坐标系Y轴旋转该预定角度；第二显示通道通过第二机械拼接方式分别和第一显示通道和第三显示通道拼接，第三显示通道通过第二机械拼接方式分别和第二显示通道和第四显示通道拼接；第六显示通道通过第二机械拼接方式分别和第五显示通道和第七显示通道拼接，第七显示通道通过第二机械拼接方式分别和第六显示通道和第八显示通道拼接；第一显示通道和第五显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第二显示通道和第六显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第三显示通道和第七显示通道通过第一机械拼接方式拼接，第四显示通道和第八显示通道通过第一机械拼接方式拼接。
19.如权利要求18所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为120度，垂直方向视场角至少为50度。
20.如权利要求3所述的拼接式头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括通过第一光学拼接方式拼接的第一显示通道和第二显示通道，第一显示通道在YOZ面绕全局坐标系旋转第一角度，而第二显示通道则绕人眼视线方向Z轴旋转±180°后再绕全局坐标系X轴反方向旋转第一角度。
21.如权利要求20所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为50度，垂直方向视场角至少为40度。
22.如权利要求3所述的拼接头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括通过第二光学拼接方式拼接的第一显示通道和第二显示通道，第一显示通道在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第二显示通道绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度。
23.如权利要求22所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为70度，垂直方向视场角至少为30度。
24.如权利要求3所述的拼接头盔显示装置，其中所述头盔显示装置包括第一显示通道、第二显示通道、第三显示通道和第四显示通道，第一显示通道在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第二显示通道绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度；第三显示通道在XOZ面内绕全局坐标系Y轴旋转第二角度，而第四显示通道绕全局坐标系Y轴反方向旋转第二角度；第一显示通道和第二显示通道通过第二光学拼接方式拼接，第三显示通道和第四显示通道通过第二光学拼接方式拼接，第一显示通道和第三显示通道通过第一光学拼接方式拼接，第二显示通道和第四显示通道通过第一光学拼接方式拼接。
25.如权利要求24所述的拼接式头盔显示装置，其中水平方向视场角至少为70度，垂直方向视场角至少为50度。
26.如前述权利要求2-23所述的拼接头盔显示装置，还包括多个自由形式表面辅助透 镜，每个透镜与相应的自由形式表面棱镜配合，使得人眼能够观察外界场景，其中所述自由形式表面棱镜的第二光学面(3)为半透射半反射面。
27.如权利要求26所述的拼接头盔显示装置，其中所述增加的棱镜透镜所使用的材料的折射率为I. 4 < Ndl <1.8且阿倍数为Vdl > 20。
28.根据前述权利要求所述的拼接头盔显示装置，其中所述出瞳直径至少为6_。
29.根据权利要求20、22或24所述的拼接头盔显示装置，其中所述出瞳距离至少为15mm。
30.根据前述权利要求所述的拼接头盔显示装置，其中所述拼接方法包括粘接、胶合、焊接、一体注塑成型。
全文摘要
本发明提供一种拼接式头盔显示装置，其包括光学部件，包括多个自由形式表面棱镜，每个棱镜为包含第一光学面、第二光学面和第三光学面的楔形棱镜；和显示部件，包括多个微型显示器。微型显示器的数量等于自由形式表面棱镜的数量。根据本发明的拼接式头盔显示装置结构紧凑、重量轻，提供了宽视角和高分辨率，尤其对于光学拼接的头盔显示装置，且各显示通道的出瞳面重合匹配，避免了光瞳像差，保证了出瞳大小和出瞳距离不变。而且视场内的各处分辨率不会出现差别，因此避免了引起附加的梯形畸变。通过简单地在自由形式棱镜之后加入辅助自由形式透镜，根据本发明的拼接式头盔显示装置还可易于应用于增强现实。
文档编号G02B17/08GK102782562SQ201080015063
公开日2012年11月14日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者华宏, 王涌天, 程德文 申请人:亚利桑那大学, 北京理工大学