CN1316063A - 头戴型显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种头戴型显示器,设有影像显示装置(201)和光学系统,该光学系统包括第一λ/4片(203)、半透镜(205)、透镜(207)、第二λ/4片(209)和偏振镜(211),它们被按照上述顺序从入射侧设置,用于将要形成的影像通过影像显示装置投射到使用者的视网膜上。

Description

头戴型显示器
本发明涉及带有影像显示装置和光学系统的头戴型显示器，该光学系统包括半透镜、透镜元件、偏振镜和两个用于合并光束的λ/4片，从而通过影像显示装置在使用者的视网膜上投射要形成的影像。
上述类型的装置已经在欧洲专利申请EP0803756中披露。在该文献中描述的头戴型显示器中，影像由液晶显示板形成，该影像通过光学系统借助于头戴型显示器的出射光瞳投射在使用者的视网膜上。在使用过程中，出射光瞳与头戴型显示器使用者的眼睛瞳孔重合，从而在视网膜上形成影像。使用者可以佩戴该头戴型显示器用于显示例如TV或视频影像，或与便携式信息和通讯系统、计算机游戏或计算机仿真相关的影像。
在已知的头戴型显示器中，从影像显示装置看的光学系统依次包括偏振镜、透镜元件、第一λ/4片、半透镜、第二λ/4片和偏振片。要被形成的影像的光线有效通过透镜元件三次是通过偏振镜反射实现的。并且，偏振镜的第一表面可以是曲面，从而减少光学成象象差。为了制出偏振镜，在该曲面上设置了偏振依赖层。
在这种曲面上设置偏振依赖薄片是一项繁重的工作。
本发明的一个目的在于提供一种能够以较简便方式制造的头戴型显示器。为了实现这个目的，本发明装置的特征在于，从影像显示装置看，第一λ/4片、半透镜、透镜元件、第二λ/4片和偏振镜一个接一个的设置。因为这些光学元件的这种顺序，光线可以通过透镜元件三次，最终形成影像。此外，半透镜可以制成为中空的镜。这种结构的优点在于，可以采用常规的简单方法为中空镜涂履半透射层。可以采用简单的方法在平板上形成偏振依赖层。光学系统的这种布局简化了头戴型显示器的制造，能够有效地节约成本。与已知的装置相比另一个优点在于，从使用者侧看，放置在已知的装置中的作为第一元件的偏振元件，在本发明的头戴型显示器中是不需要的。
本发明的头戴型显示器的具体实施例的特征在于，第一λ/4片的光轴处在第二λ/4片光轴的横向。结果，实现了消色的透射抑制，从而增强了影像的对比度。这种方法本身可由欧洲专利申请EP0803756中获知。
本发明的头戴型显示器另一实施例的特征在于，头戴型显示器包括集成的光学部件，其中集成了半透镜、透镜元件、第二λ/4片和偏振镜。将光学零件集成在一个光学部件中简化了制造过程中头戴型显示器的组装。
本发明的头戴型显示器又一实施例的特征在于，头戴型显示器包括至少一个非球面的光学元件。使用非球面的光学元件减少了象差，例如彗差、象散和象场弯曲。
本发明的头戴型显示器再一实施例的特征在于，第二λ/4片和偏振镜具有曲面。因此第二λ/4片和偏振镜可以被简单地与半透镜和透镜元件一起集成在一个光学部件中。
本发明的这些和其它方面将会从以下参考实施例的描述中得到解释和阐述。
图1是本发明头戴型显示器的第一实施例。
图2是本发明头戴型显示器的第二实施例。
图3是本发明头戴型显示器的第三实施例。
图1表示本发明第一实施例的头戴型显示器100。图1只显示了头戴型显示器的局部，包括影像显示装置，例如带有照明单元(未显示)的透射液晶影像显示板101和光学系统。从影像显示板101看，光学系统顺次包括第一λ/4片103、半透镜，优选为中空的镜105、透镜元件107、第二λ/4片109和偏振镜111。偏振镜111包括，例如由3MTM提供的Double Brightness Enhancement Film(DEBF)型反射偏振片。该光学系统通过透射液晶影像显示板101将要形成的影像投射在使用者的视网膜上。图1表示影像显示板的象素的辐射光路。当头戴型显示器开启并被使用者佩戴时，由液晶影像显示板110形成的影像的光线会射到第一λ/4片103上。第一λ/4片103将在第一方向偏振的光线转化为圆偏振光，例如入射在半透镜105上的右旋偏振光。半透镜105使一部分右旋偏振光借助透镜元件107传给第二λ/4片109。第二λ/4片109将右旋偏振光转为在第二方向上偏振的光线，该第二偏振方向处在第一偏振方向的横向。在第二方向偏振的光线随后射至反射偏振片111上。反射偏振片111将所有在第二方向上偏振的光反射回第二λ/4片109。因为反射偏振片111使所有在第二方向上偏振的光反射，因此如在已知的头戴型显示器用于增强对比度的进一步偏振就不需要了。第二λ/4片109使在第二方向偏振的光线转化为通过透镜元件107射至中空半透镜105上的右旋偏振光。半透镜105通过透镜元件107将一部分右旋偏振光线反射至第二λ/4片109，并将右旋偏振光改变为左旋偏振光。左旋偏振光射至第二λ/4片109上，使左旋偏振光转化为在第一方向偏振的光线。在第一方向偏振的光线随后再一次射至反射偏振片111。于是反射偏振片111将现在在第一方向偏振的光线传到使用者的眼睛(未示出)。第一和第二λ/4片的光轴处在与第一偏振方向成45°的角度。
为了获得透射的消色抑制以增强影像的对比度，λ/4片103和109可以设置成使得第一λ/4片103的光轴处在第二λ/4片109光轴的横向。第一λ/4片103和第二λ/4片109光轴的这种布局在EP0803756中是已知的。图2是第一λ/4片的光轴处在第二λ/4片光轴横向的实施例。
图2表示头戴型显示器的局部200，其中光学元件201-211的布局与图1所示第一实施例中元件101-111的布局类似。但是，第一λ/4片和第二λ/4片的光轴彼此成横向。当头戴型显示器开启并被使用者佩戴时，由液晶影像显示板201形成的影像象素的光线会射到第一λ/4片203上。第一λ/4片203的光轴和第一偏振方向之间的夹角是例如+45°。第一λ/4片203将在第一方向偏振的光线转化为圆偏振光，例如射在半透镜205上的右旋偏振光。半透镜205使一部分右旋偏振光借助于透镜元件207传给第二λ/4片209。第二λ/4片的光轴处在与第一偏振方向成-45°的方向，因此处在第一λ/4片203光轴的横向。第二λ/4片209将右旋偏振光转为在第一方向上偏振的光线。在第一方向偏振的光线随后射至反射偏振片211上。反射偏振片211将所有在第一方向上偏振的光反射回第二λ/4片209。第二λ/4片209将在第一方向偏振的光线转为通过透镜元件207射至中空半透镜205上的右旋偏振光。半透镜205通过透镜元件207将一部分右旋偏振光反射回第二λ/4片209，并将右旋偏振光改变为左旋偏振光。第二λ/4片209将左旋偏振光转为在第二方向偏振的光线，该第二偏振方向处在第一偏振方向的横向。第二方向偏振的光线随后再一次射至反射偏振片211上。于是反射偏振片211将目前在第二方向偏振的光线传到使用者的眼睛(未示出)。
作为其中第一λ/4片的光轴处在第二λ/4片光轴横向的头戴型显示器的替代，可以用消色的第一λ/4片和第二λ/4片来替代，并且其光轴方向与第一偏振方向成+45°。消色的λ/4片可以由例如“Bernhard HalleNachf.Gmb H&Co”提供。
为了减少成象象差，例如彗差、象散和象场弯曲，在头戴型显示器的上述实施例中的光学元件的多个曲面，例如中空半透镜205的曲面，优选为非球面形。
为了进一步简化头戴型显示器的组装，多个光学元件，例如半透镜、透镜元件、第二λ/4片和偏振镜可以被集成在一个光学部件中。λ/4片和偏振镜都可以是曲面的。
图3表示本发明头戴型显示器的局部300，包括影像显示装置，例如透射液晶板301和光学系统。该光学系统包括第一λ/4片和集成的光学部件302，光学部件302沿着光学系统的光轴按以下顺序集成有半透镜305、第一透镜元件307、第二λ/4片309、第二透镜元件310和偏振镜311。半透镜305由设置在第一透镜元件307第一表面上的半透射层形成。第二λ/4片309包括例如设置在第一透镜元件307第二表面上的λ/4片。并且第二透镜元件310的第一表面与λ/4片309相邻。偏振镜311通过例如在第二透镜元件307的第二表面设置DBEF型的反射偏振片而设置在所述第二表面。并且，第一和第二透镜元件307、310可以由玻璃或聚碳酸酯制成。当头戴型显示器开启并被使用者佩戴时，由液晶影像显示板301形成的影像象素的光线会射到第一λ/4片303上。第一λ/4片303和第一偏振方向之间的夹角是例如+45°。第一λ/4片303将在第一方向偏振的光线转为圆偏振光，例如射在半透镜305上的右旋偏振光。该半透镜305使一部分右旋偏振光借助于第一透镜元件307传给λ/4片309。λ/4片309的光轴处在与第一偏振方向成-45°的方向，因此处在第一λ/4片303光轴的横向。λ/4片309将右旋偏振光转为在第一方向上偏振的光线。在第一方向偏振的光线通过第二透镜元件310随后射至反射偏振片311上。反射偏振片311将所有在第一方向上偏振的光线通过第二透镜元件310反射回λ/4片309。λ/4片309将在第一方向偏振的光线转化为通过透镜元件307射至中空半透镜305上的右旋偏振光。半透镜305通过透镜元件307将一部分右旋偏振光反射回λ/4片309，并将右旋偏振光改变为左旋偏振光。λ/4片309将左旋偏振光转为在第二方向偏振的光线，该第二偏振方向处在第一偏振方向的横向。在第二方向偏振的光线随后通过第二透镜元件310再一次射至反射偏振片311。于是反射偏振片311将目前在第二方向偏振的光线传到使用者的眼睛(未示出)。
除了上述头戴型显示器实施例中的透射液晶影像显示板，也可以使用带有相关照明系统的反射液晶影像显示板。还可以使用结合了导向器的在第一方向的线性偏振器的阴极射线管。

Claims (5)

1．一种头戴型显示器，设有影像显示装置和光学系统，该光学系统包括半透镜、透镜元件、偏振镜和两个用于组合光束的λ/4片，从而将要形成的影像通过影像显示装置投射在使用者的视网膜上，其特征在于，从影像显示装置看，第一λ/4片、半透镜、透镜元件、第二λ/4片和偏振镜一个接一个地放置。
2．如权利要求1的头戴型显示器，其特征在于，第一λ/4片的光轴处在第二λ/4片光轴的横向。
3．如权利要求1的头戴型显示器，其特征在于，该头戴型显示器包括集成有半透镜、透镜元件、第二λ/4片和偏振镜的集成光学部件。
4．如权利要求1的头戴型显示器，其特征在于，该头戴型显示器包括至少一个非球面的光学元件。
5．如权利要求1的头戴型显示器，其特征在于，第二λ/4片和偏振镜具有曲面。
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