CN1171109C - 头戴式显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个头戴式显示器，它包括至少一个图象显示板和一个由于将一个图象投射到该头戴式显示器的左和右瞳孔中的光学系统。该光学系统包括一个分光器，一个凹面镜和第一和第二光通道，其中每个光通道包括一个折叠镜和一个目镜，该目镜包括至少一个透镜元件。在图象显示板和凹面镜之间设置了一个具有衍射结构的附加透镜。在该附加透镜对于两个光通道是共用的结构中，将一个衍射元件用作该附加元件是足够的，这简化了结构。此外，这种结构能提供令人满意的图象质量，便宜而且重量轻。

Description

头戴式显示器

本发明涉及一种头戴式显示器，它包括一个由两分离光通道共用的图象显示系统，和一个光学系统，该光学系统用于将在所述图象显示系统中形成的图象投射到该头戴式显示器的左和右出射瞳孔中，该光学系统包括一个凹面镜，一个安装在该凹面镜和该图象显示系统之间的分光器，而第一和第二光通道每一个包括一个折叠镜和一个具有至少一个透镜器件的目镜。

从国际专利申请WO 96/05532中可知在第一段中所描述的那类型头戴式显示器。在该申请中所述的头戴式显示器中，一个液晶图象显示板经由两个光通道，利用一个物镜，一个凹面镜和两个交叉反射面成象在头戴式显示器的左和右出射瞳孔上。每一个光通道包括一个折叠镜和包括三个透镜的目镜。假设该头戴式显示器的出射瞳孔符合用户的瞳孔。图象成象在用户双眼的视网膜上。

该申请所述的头戴式显示器的缺点是大量的透镜和镜子使设计相对较昂贵和沉重。除了玻璃，可以采用诸如合成树脂材料等的廉价材料。然而，这也带来其他缺点，即所获得的图象质量相对较差。

已知，本身可以通过用单透镜目镜替代三透镜目镜来减少光学器件的数量，其中单透镜目镜的一个表面具有衍射结构。这样也有其他缺点，即由于目镜只包含一个透镜，所以图象质量会降低。此外，可以在一个弯曲表面上设置了两个衍射结构。

本发明的一个目的是提供一个具有相对简单设计，相对满意的图象质量和相对廉价和较轻结构的头戴式显示器。

为此，根据本发明的头戴式显示器的特征在于在该图象显示系统和分光器之间设置了一个附加的光学元件，其一个表面具有一个衍射结构。

由于该附加元件对于两个光通道是公用的，所以使用单衍射结构就足够了，这将简化制造过程。

目镜包括例如两个或三个透镜。根据本发明的头戴式显示器的一个优选实施例的特征在于目镜为单透镜目镜。

光学器件的数目由此是有限的，使得该头戴式显示器将会更轻，同时由于采用具有衍射结构的附加光学元件，使得可以保持图象的光学质量。

该附加的光学元件可以用各种方法实现。根据本发明的头戴式显示器的一个优选实施例的特征在于该附加光学元件具有至少一个平坦端，衍射结构在该平坦端上。

该组合可以最容易地实现。其上提供有该结构的表面的弯曲度不必考虑，如果该衍射结构提供在目镜上，这确实是一个问题。

根据本发明的头戴式显示器的另一个优选实施例的特征在于该衍射结构是圆对称炫耀光栅。

圆对称炫耀光栅应理解为指一种将衍射光的强度会聚到一个更高阶，例如第一阶的一个圆对称光栅。

这种光栅可以各种方法实现。

根据本发明的头戴式显示器的第一个优选实施例的特征在于该衍射结构是一个表面蚀刻结构。

根据本发明的头戴式显示器的第二个优选实施例的特征在于该衍射结构是一个体积全息图。

根据本发明的头戴式显示器的另一个优选实施例的特征在于头戴式显示器的具有一个弯曲表面的光学器件具有一个非球面表面。

从而相当大地减少了图象场的诸如慧差、象散和扭曲等图象误差。

根据本发明的头戴式显示器的第四个优选实施例的特征在于该图象显示板为反射式图象显示板，而该凹面镜至少为半透明的，并具有一个设置在凹面镜远离图象显示板的一端的照明系统，该照明系统包括一个偏振器，每一个光通道包括一个偏振器，照明系统的偏振器与光通道中的偏振器相对交叉。

本发明的这些和其他方面将通过以下对实施例的描述更加清楚和明了。

以下附图为：

图1(a)为根据本发明的具有一个投射式图象显示板的头戴式显示器的第一实施例的示意图；

图1(b)详细显示了该镜子组合的一个实施例；

图2为根据本发明的具有一个反射式图象显示板的头戴式显示器的第二实施例的示意图；

图3为一个表面蚀刻形式的圆对称炫耀光栅的一个实施例的剖面图；

图4为一个体积全息图形式的圆对称炫耀光栅的一个实施例的剖面图。

图1(a)中所示的头戴式显示器1包括一个为简明起见用单个图象显示板所表示的图象显示系统3。该图象显示板可以是，例如，一个反射或投射类型的TN(扭曲向列)液晶图象显示板。可以通过外界光来实现照明，但是优选采用照明系统5，因为它具有更高的光输出，从而可以获得更亮的图象。照明系统的位置由图象显示板的类型而确定，这里将进行阐述。

头戴式显示器1还包括两个分光镜7，9，它们相互围成一个角度。图1(b)示出了分光镜的一个可能组合。入射到分光镜组合上的光通过凹面镜11并在凹面镜上被反射至镜子7，9。从这两个镜子起，图象被分开通过两个光通道13，15。在每一个光通道中形成图象显示板的放大或未放大的中间图象，该中间图象在虚线区域用参考标号10来表示。中间图象的放大率由功能为一个成象元件的凹面镜11来决定。随后，中间图象在用户双眼的视网膜35，37上成象。光通道13，15终止于出射瞳孔36，38，该出射瞳孔假设与用户瞳孔相符合。每一个光通道13，15分别包括一个折叠镜17，19和一个目镜21，23，中间图象位于它们的焦面上。

来自图象显示板并入射在镜子组合7，9上的一部分光由镜子9通向凹面镜11，而另一部分光被发向光通道15。利用设置在镜子组合7，9和折叠镜19之间的阻挡元件18阻挡发向光通道15的那部分光。实际上，这部分光对在凹面镜11上的图象形成不起贡献作用，它会带干扰光。分先镜7也使一部分入射光通向凹面镜11但也会将一部分光反射到光通道13。由于削弱在光通道13中的干扰光的阻挡元件20设置在镜子组合7，9和折叠镜17之间。来自图象显示板并到达凹面镜11的光在该镜上被反射。该图象的大约一半从镜子组合7，9反射到光通道13而另一半反射到光通道15。阻挡元件18，20的形状使得该反射光不被阻挡。在实际中，这意味着，阻挡元件18在垂直面上与分光镜7互补，而阻挡元件20在垂直面上与分光镜9互补。分光镜7所反射入光通道13的光被元件20所阻挡，同时分光镜9所反射入光通道15并经由凹面镜11被转换为一个图象的光没有遇上元件20。分光镜9所反射入光通道15的光被元件18所阻挡，同时分光镜7所反射入光通道13并经由凹面镜11被转换为一个图象的光没有遇上元件18。

本发明提出了将具有衍射结构27的一个附加光学元件25设置在图象显示板3和镜子组合7，9之间。这样，只需要一个衍射结构，这简化了显示器的制造过程。实际上，本身已知在两个光通道的每个目镜上提供一个衍射结构。但这不仅要求一个额外的衍射结构，而且还要考虑目镜的透镜面的弯曲度。衍射结构27主要补偿象散但一般不具有光学校正元件的功能。从而带来的结果是象散校正和更好的图象质量。额外的光学元件和衍射结构的组合使得可以用单透镜结构实现目镜而不会牺牲光学图象质量。这样，光学元件的数量可以减少，使得头戴式显示器可以更轻。

附加光学元件25优选为具有一个平坦端的元件，其中衍射结构设置在该平坦端上。该元件可以是，例如，平凹，平凸或平行平面板。因为该结构设置在平坦端，则可以保持相对简单，从而可以不用考虑该表面的弯曲度。

该衍射结构可以用圆对称炫耀光栅来实现。炫耀光栅是其衍射辐射的强度到集中在一个更高阶，例如，第一阶上的一种光栅。

这种光栅可以用各种方法实现。图3显示了第一种可能方案，其中，该光栅由提供在平凹透镜的平坦端上的表面蚀刻结构来构成。该结构的间隔在光栅的中心最大而向结构的更外端逐渐减少。

图4示出了另一种可能方案，其中该炫耀光栅作为一个体积全息图而设置在平凹透镜。在此实例中，光学敏感层由两类具有互不相同的折射系数的层构成。这两层在光学敏感层的表面上横向延伸。这两层的厚度和该结构的间隔向该结构的更外端逐渐减少。

如上所述，照明系统的位置由图象显示板类型决定。照明系统对于两种类型显示板还可具有一个不同的组成部分。

如果采用投射式图象显示板，则照明系统5可以放在图象显示板远离附加光学元件25的一端，如图1(a)所示。照明系统5包括，例如，一个光源29和一个聚光透镜31。发自光源29的光由聚光透镜31校准，随后入射到图象显示板上。光源可以是，例如，一个LED或一个LED阵列或一个气体放电背光单元。对于一个彩色图象，重要的是光源提供“白”光。

如果采用反射式图象显示板，凹面镜11可以用，例如，一个半透明镜来实现，而照明系统设置在凹面镜11远离附加光学元件25的一端。图2显示了这种实施例。除了光源29和聚光透镜31，照明系统5现在还包括一个偏振器33。来自光源29的光束被聚光透镜31校准并入射在偏振器33上。从而光被线性偏振，随后通过凹面镜并部分通过镜子组合7，9到图象显示板3。在由图象显示板调制和反射之后，大约一半的光束发向光通道13而另一半的光束发向光通道15。偏振器34设置在分光镜7和光通道15的折叠镜19之间。偏振器32设置在分光镜9和光通道13的折叠镜17之间。两个偏振器32和34的导向具有相同的方向，然而偏振器33的导向与偏振器32和34的导向交叉。结果，引起暗象素的光将被偏振器32和34阻挡。偏振器的方向将由来自已被激发的图象显示板的象素的光而旋转，并且必须带来图象中明亮的象素。因此，光可以根据灰度级而全部或部分地通过偏振器。

在此实施例中，原理上可以不需要阻挡元件18，20，因为偏振器只通过对图象的形成有贡献的光。因为，实际上，偏振器并不是完美的，所以它们仍然可以用作优化图象对比度的目的。

另外，偏振器33可以用反射式偏振器来实现。光的具有对于图象显示板所不希望的偏振方向的部分被反射向光源29并可以利用一个λ/4片和一个反射器(未示出)来复原。该λ/4片设置在光源29和偏振器33之间，而反射器设置在光源29的后面。该λ/4片将被偏振器反射的线性偏振光转换为圆偏振光。圆偏振光入射在反射器上，反射器将该光束的旋转方向反向并反射它。在反射器的反射之后，光又再次到达反射式偏振器并将通向图象显示板。

在反射式图象显示板中，光源包括，例如，一个红-绿-蓝LED。用不同的颜色顺序地照明该图象显示板，同时红，绿，蓝图象与该照明同步地连续显示在该图象显示板上。

在所示的实施例中，图象显示板设置在两个光通道之间，而凹面镜在分光器的相对端。应注意的是，还可以将凹面镜和图象显示板的位置交换。则凹面镜设置在两个光通道之间，而图象显示板在分光器的相对端。

Claims (8)

1.一种头戴式显示器，包括一个对于两个分离光通道公用的图象显示系统，和一个由于将在图象显示系统中形成的图象投射在该头戴式显示器的右和左瞳孔中的光学系统，该光学系统包括一个凹面镜，一个设置在凹面镜和图象显示系统之间的分光器，和第一和第二光通道，其中每一光通道包括一个折叠镜和一个具有至少一个透镜元件的目镜，其特征在于，在图象显示系统和分光器之间设置了一个在其一个表面上具有一个衍射结构的附加光学元件。

2.根据权利要求1的头戴式显示器，其特征在于，所述目镜是一个单透镜目镜。

3.根据权利要求1或2的头戴式显示器，其特征在于，该附加光学元件具有至少一个平坦端，该衍射结构设置在所述平坦端上。

4.根据权利要求1的头戴式显示器，其特征在于，该衍射结构是一个圆对称炫耀光栅。

5.根据权利要求4的头戴式显示器，其特征在于，该衍射结构是一个表面蚀刻结构。

6.根据权利要求4的头戴式显示器，其特征在于，该衍射结构是一个体积全息图。

7.根据权利要求1的头戴式显示器，其特征在于，该头戴式显示器的具有一个曲面的光学器件具有一个非球面表面。

8.根据权利要求1的头戴式显示器，其特征在于，该图象显示板是一个反射式图象显示板，其中凹面镜至少是半透明的，而一个照明系统被设置在凹面镜远离图象显示板的一端，其中照明系统和每一光通道包括一个偏振器，照明系统的偏振器的方向与在光通道中的偏振器的方向相交叉。

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