本实用新型涉及头戴显示技术，特别是一种视场拼接式头戴显示装置。
背景技术：
一个典型的头戴显示装置由微型显示器和光学系统组成，由微型显示器产生的图像经过光学系统呈放大的虚像，供用户观察。头戴显示装置的光学系统为目视光学系统，其在设计过程中必须考虑人眼的实际需求。光学系统的出瞳位置与人眼瞳孔位置重合，主要设计参数为出瞳直径D、视场大小Fov和焦距f，决定了光学系统的性能和成像质量。在头戴显示装置中，为了避免人眼转动使瞳孔与系统出瞳失配过多造成渐晕或相面丢失，光学系统的出瞳直径设计值比人眼瞳孔直径大很多，一般穿透式头戴显示器的光学系统出瞳直径设计值为10—15mm。为了实现头戴显示器的轻便小型化，光学系统的焦距设计值必须控制在一定范围内，保证结构的紧促性。光学系统的视场大小决定了用户对观察图像的沉浸感，增大视场可以提高用户体验。
在头戴显示装置中，微型显示器的分辨率R’与光学系统分辨率R存在以下关系：R＝R’/Fov，其中光学系统分辨率R由光学系统的出瞳直径D和焦距f确定。对于确定的微型显示器，光学系统的分辨率和视场大小相互制约，增大光学系统的视场角必然会引起系统分辨率的降低。另外，增大视场会引起光学系统的尺寸过大，无法实现头戴显示装置的轻便小型化。为了保证光学系统的分辨率，并同时增大视场，视场拼接技术由此提出。视场拼接技术通过将微型显示器的图像分为两部分，并采用双通道或多通道光学系统进行显示，在增大光学系统的视场同时不影响出瞳直径D和焦距f，即可同时实现光学系统的高分辨率和大视场。在先技术[1](参见程德文，王涌天，华宏。宽视场高分辨率拼接式头盔显示装置，CN102782562A，2012)公开了一种利用楔形棱镜进行视场拼接的头盔显示装置。在先技术[2](参见Mikhail Gutin,Olga Gutin.Automated design and fabrication of ocular optics.Proc.of Spie,Vol.7060,2008)提出一种利用透镜阵列实现多通道显示的目镜式光学系统。现有技术的不足之处在于：
(1)采用棱镜拼接或透镜阵列拼接的方法实现多通道显示，只是将单通道的视场进行几何叠加，在增大视场的同时引起光学系统尺寸的增大，无法实现头戴显示装置的小型化。
(2)在先技术1采用的楔形棱镜包括三个自由曲面面形，在先技术2的透镜阵列的每个透镜组由多个透镜组成，增大了加工装配难度。
(3)在先技术2将微型显示器置于人眼之前，无法实现用户对真实世界的观察，该方案限定于虚拟现实头戴显示领域；在先技术1将微型显示器置于棱镜两侧，该方案可应用于增强现实头戴显示领域。
(4)在先技术采用的多透镜或楔形棱镜对于微型显示器图像的多次折射和反射降低了光能利用率，同时楔形棱镜对于外部实际光线的两次折射，引起用户观察外部真实世界的失真。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种视场拼接式头戴显示装置，该头戴显示装置采用两片自由曲面半透半反镜进行视场拼接，可以同时增大视场和光学系统分辨率，具有结构简单，加工成本低，光能利用率高和成像质量高等特点，可应用于增强现实头戴显示领域中。
本实用新型的解决方案如下：
一种视场拼接式头戴显示装置，其特点在于由第一微型显示器、第二微型显示器、第一自由曲面半透半反镜、第二自由曲面半透半反镜和孔径光阑组成，所述的孔径光阑与人眼瞳孔位置重合，并关于光轴对称放置，所述的第一微型显示器和第二自由曲面半透半反镜构成一个显示通道，第二微型显示器和第一自由曲面半透半反镜构成另一个显示通道，每个显示通道的出瞳中心都位于人眼的瞳孔中心，
该头戴显示装置的坐标定义为：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，则所述的第一自由曲面半透半反镜和第二自由曲面半透半反镜关于XOZ平面对称，其面形均为自由曲面，面形矢高由以下公式给出：
其中，c＝1/r0，r0为自由曲面基准面的曲率半径，k为二次曲面系数，r为入射光线的径向坐标，ai为高阶系数，为泽尼克多项式，N为泽尼克多项式的总数，Ai为第i项泽尼克多项式的系数，ρ为归一化的半径坐标，为归一化的角度坐标。
所述的第一自由曲面半透半反镜和所述的第二自由曲面半透半反镜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，即亚克力(PMMA)，所述的第一自由曲面半透半反镜和所述的第二自由曲面半透半反镜表面镀有半透半反膜。
所述的第一微型显示器和所述的第二微型显示器为液晶显示器或有机发光二极管构成。
所述的两个自由曲面半透半反镜采用胶合工艺或机械拼接法进行拼接，拼接后的自由曲面半透半反镜可实现双通道同时显示，总视场相当于来自单个显示通道的视场的邻接在一起。
与先技术相比，本实用新型的有益效果如下：
(1)结构简单，加工成本低。本实用新型视场拼接式头戴显示装置，通过采用两片自由曲面半透半反镜拼接的方法实现双通道显示，微型显示器的显示通道在空间进行交叉，实现空间的重复利用，在增大视场的同时减小了微型显示装置的结构尺寸，容易实现头戴显示装置的小型化。另外，头戴显示装置的光学系统由两片自由曲面反射镜组成，降低了加工制造难度。
(2)光能利用率高。本实用新型视场拼接式头戴显示装置采用两个微型显示器作为像源，每个显示通道只对光线进行一次反射至人眼瞳孔处，供用户观察。该头戴显示装置相对于传统装置具有光通量高、光能利用率高的优点。
(3)成像质量高。本实用新型视场拼接式头戴显示装置的光学系统采用自由曲面半透半反镜对微型显示器的图像进行放大成像，不引入球差，并可通过控制边缘矢高实现对大视场边缘光线的畸变等像差的优化，提高了头戴显示装置的成像质量。
(4)本实用新型视场拼接式头戴显示装置将微型显示器置于自由曲面半透半反镜两侧，该方案可应用于增强现实头戴显示领域。另外，自由曲面半透半反镜对于外部实际光线进行单次折射，不会降低用户对外部真实世界的观察体验。
附图说明
图1是本实用新型视场拼接式头戴显示装置的光学结构原理图
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应依次限制本实用新型的保护范围。
请参阅图1，图1为本实用新型视场拼接式头戴显示装置的光学结构原理图。由图可见，本实用新型视场拼接式头戴显示装置由第一微型显示器1、第二微型显示器2、第一自由曲面半透半反镜3、第二自由曲面半透半反镜4和孔径光阑5组成。所述的孔径光阑5与人眼瞳孔位置重合，关于光轴对称放置。第一微型显示器1和第二自由曲面半透半反镜4构成一个显示通道，第二微型显示器2和第一自由曲面半透半反镜3构成另一个显示通道，每个显示通道的出瞳中心位于共同一点，即人眼瞳孔中心。
该头戴显示装置的坐标定义为：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。
所述的第一自由曲面半透半反镜3和所述的第二自由曲面半透半反镜4关于XOZ平面对称，其面形均为自由曲面，面形矢高由以下公式给出：
其中，c＝1/r0，r0为自由曲面基准面的曲率半径，k为二次曲面系数，r为入射光线的径向坐标，ai为高阶系数，为泽尼克多项式，N为泽尼克多项式的总数，Ai为第i项泽尼克多项式的系数，ρ为归一化的半径坐标，为归一化的角度坐标；
所述的第一自由曲面半透半反镜3和所述的第二自由曲面半透半反镜4材料为聚甲基丙烯酸甲酯，即亚克力(PMMA)；
所述的第一自由曲面半透半反镜3和所述的第二自由曲面半透半反镜4表面镀有半透半反膜；
所述的第一自由曲面半透半反镜3和所述的第二自由曲面半透半反镜4采用胶合工艺或机械拼接法进行拼接，拼接后的自由曲面半透半反镜可实现双通道同时显示，总视场相当于来自单个显示通道的视场的邻接在一起；
所述的第一微型显示器1和所述的第二微型显示器2为液晶显示器LCD，也可以为有机发光二极管OLED。
本实用新型视场拼接式头戴显示装置的工作过程为：第一微型显示器1和第二自由曲面半透半反镜4构成第一显示通道，由第一微型显示器1发出的光经过第二自由曲面半透半反镜4反射至孔径光阑5处。同样，第二微型显示器2和第一自由曲面半透半反镜3构成第二显示通道，由第二微型显示器2发出的光经过第一自由曲面半透半反镜3反射至孔径光阑5处。由于孔径光阑5位置与人眼瞳孔位置重合，因此每个显示通道的出瞳中心都位于人眼瞳孔中心。该头戴显示装置采用两片自由曲面半透半反镜对各自对应的微型显示器产生的图像分别在各自显示通道进行放大成像，可实现人眼瞳孔处的视场拼接，在不影响头戴显示装置的分辨率的同时增大了视场。
本实用新型头戴显示装置的光学元件少、光能损耗低，可提高头戴显示装置的光能利用率；该头戴显示装置采用两片自由曲面半透半反镜拼接，相对于传统的棱镜拼接或透镜系统拼接法，降低了加工制造成本；另外，两个显示通道在空间进行叠加，有效利用空间，使头戴显示装置的结构紧凑，有利于实现头戴显示装置的小型化；该头戴显示装置充分利用自由曲面半透半反镜不引入球差的优点，提高了光学系统的成像质量。因此，该头戴显示装置具有结构简单，加工成本低，能量利用率高，成像质量高等特点，可应用于增强现实头戴显示领域。
本实用新型中所述的只是本实用新型的一种具体实施例，仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型的限制。凡本领域技术人员依本实用新型的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本实用新型的范围之内。