一种出瞳可调的头戴显示器光学系统技术方案

一种出瞳可调的头戴显示器光学系统，由前固定组、变焦组、补偿组和后固定组组成，位置关系为：微型显示器或中间像面作为物面，依次为所述的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组，且所述的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组相对光轴呈轴对称放置，所述的前固定组和后固定组在光学系统变焦的过程中始终保持位置不变，所述的变焦组和补偿组在光学系统变焦的过程中按照各自的曲线沿光轴移动。所述的变焦组和补偿组在移动过程中保持光学系统的前焦平面和后焦平面固定，使光学系统的前焦平面和物面重合，光学系统的后焦平面和出瞳重合。本发明专利技术具有结构简单、光能利用率高和成像质量高等特点，可实现出瞳扩展和智能调节。

An optical system for head mounted display with adjustable pupil

The head mounted display optical system of a pupil adjustable, a front fixed group, zoom group, compensation group and fixed group, position relation: micro display or intermediate image surface as the surface, followed by the front group and the zoom group, the compensation group and the fixed group, and the front group and the zoom group, the compensation group and after fixation group relative to the light axis are axisymmetric placed, the anterior fixation group and after fixation group in the process of zoom optical system remains unchanged, the zoom group and the compensation group in the process of zoom optical system according to their respective curves along mobile optical axis. The zoom set and the compensation set maintain the front focal plane and the back focal plane of the optical system during the moving process, so that the front focal plane and the object surface of the optical system coincide with each other, and the back focal plane and the pupil of the optical system coincide. The invention has the advantages of simple structure, high utilization rate of light energy and high imaging quality, and can realize pupil expanding and intelligent adjustment.

【技术实现步骤摘要】
一种出瞳可调的头戴显示器光学系统
本专利技术涉及头戴显示器。特别是一种出瞳可调的头戴显示器光学系统。
技术介绍
一个典型的头戴显示器(以下简称为HMD)由微型显示器和光学系统两部分组成。HMD作为一种目视光学系统，其光学系统的出瞳与人眼瞳孔重合。为了与人眼视觉有效地配合以达到最佳的显示效果并实现对入射光能的有效利用，HMD的设计必须充分考虑微型显示器的亮度、光学系统的视场大小、出瞳参数以及成像质量。其中出瞳参数作为光学系统的重要设计参数之一，其主要包括出瞳直径、出瞳距离以及出瞳间距。在满足出瞳间距和出瞳距离与人眼瞳孔严格匹配的前提下，光学系统出瞳直径设计值比人眼瞳孔直径大很多。这主要是考虑到眼睛的亮度调节机制，并为了避免人眼的转动使瞳孔与系统出瞳失配过大造成渐晕或像面丢失。通常情况下，人眼瞳孔直径为2.5～4mm，穿透式HMD的出瞳直径设计值为10mm～15mm，沉浸式HMD考虑到人眼的转动范围较小，其出瞳直径设计值为4mm～6mm。为了增大光学系统的出瞳直径，并同时保证HMD的高亮度、大视场、高分辨率显示以及结构的轻便易携带，HMD采用出瞳扩展技术来解决这一问题。目前基于出瞳扩展技术的HMD主要有视网膜扫描显示器(简称为RSD)和平板光波导头戴显示器。RSD的出瞳扩展原理图如图1所示，RSD由光源L、扫描镜M和光学系统S组成。由于RSD采用的光源发散角比较小，为了充分利用光源的发光角度，RSD的光学系统与传统的目镜不同，设计光路为物方远心光路。因此光学系统必然满足拉赫不变量的约束关系，为了增大RSD的出瞳P的直径，必须增大光学系统的物方数值孔径。RSD通过在扫描镜M和光学系统S之间放置出瞳扩展器EEP，其位置与中间像面I完全重合，由此增大光源通过出瞳扩展器EEP的出射角度从而增大RSD的出瞳直径。目前在RSD中经常用到的出瞳扩展器有光纤阵列面板、衍射光学元件、微透镜阵列等具有固定周期结构的器件。先技术[1](参见Tapanilevola等.Stereoscopicexitpupilexpanderdisplay.US2010/0231693)提出了一种在光学衬底上使用输入耦合、中间体和输出耦合多个衍射光学元件并合理设置各元件的周期线角度的RSD扩展出瞳方法。先技术[2](参见HakanUrey,Karlton.Microlens-array-basedexit-pupilexpanderforfull-colordisplays.AppliedOptics,Vol.44No.23,August2005)给出了微透镜阵列的出瞳扩展理论，在RSD中采用双排微透镜阵列作为出瞳扩展器并分析了微透镜阵列的对准以及不同的加工方法对出瞳均匀性的影响。先技术[3](参见曾飞，张新.全息波导头盔显示技术.中国光学.Vol.7No.5,2014)综述了在平板光波导头戴显示器通过采用全息波导和衍射光栅组合或采用半透膜阵列波导实现扩展出瞳的方法和技术。以上技术存在的缺点主要有：1)衍射光学元件或微透镜阵列的加工难度大，加工工艺复杂，成本高；2)由衍射作用引起的杂散光和色散很难通过光学系统得以矫正，降低了HMD的成像质量；3)由加工工艺引起的面形误差以及各衍射级次之间的干涉，降低了HMD出瞳面的照度均匀性；4)衍射光栅的衍射效率影响HMD的光能利用率，降低了HMD出瞳面的亮度；5)出瞳扩展器的使用增大了HMD的装配难度，使其结构复杂；6)HMD的出瞳扩展器只能将出瞳扩展到固定的数值，无法实现出瞳的任意调节。为了实现不同的出瞳值，HMD必须切换不同的出瞳扩展器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种出瞳可调的头戴显示器光学系统。该光学系统的设计光路为物方远心光路，具有结构简单、光能利用率高和成像质量高等特点，可在微型显示器和出瞳位置固定的前提下，采用机械变焦法实现焦距的连续可调，从而实现对出瞳直径的连续可调。通过采用该光学系统，头戴显示器光学系统不用专门的出瞳扩展器件便可实现出瞳扩展，并根据HMD使用环境的不同实现对出瞳的智能调节。本专利技术的技术解决方案如下：一种出瞳可调的头戴显示器光学系统，其特点在于该光学系统由前固定组、变焦组、补偿组和后固定组组成，其位置关系为：微型显示器或中间像面作为物面，依次为所述的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组，且所述的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组相对光轴呈轴对称放置，所述的前固定组和后固定组在光学系统变焦的过程中始终保持位置不变，所述的变焦组和补偿组在光学系统变焦的过程中按照各自的曲线沿光轴移动。所述的变焦组和补偿组在移动过程中保持光学系统的前焦平面和后焦平面固定，使光学系统的前焦平面和物面重合，光学系统的后焦平面和出瞳重合。所述的前固定组为正透镜组，以微型显示器或其中间像面作为光学系统的物面，其像面与后焦平面重合，所述的前固定组采用正负透镜组合的胶合透镜，正光焦度透镜的材料为冕牌玻璃，负光焦度透镜材料为火石玻璃，采用具有折射率差异的透镜组校正多波长引起的色差，所述的前固定组中使用的透镜前后表面均为球面并镀有抗反膜AR。所述的变焦组为负透镜组，各透镜安装在机械结构上并通过凸轮控制，所述的变焦组中使用的透镜前后表面均为球面并镀有抗反膜AR。所述的补偿组为正透镜组，所述的补偿组的各透镜安装在机械结构上并通过凸轮控制，所述的补偿组中使用的透镜前后表面均为球面并镀有抗反膜AR。所述的后固定组为负透镜组，其物面与前焦平面重合，出瞳与人眼瞳孔位置重合，所述的后固定组中使用的透镜前后表面均为球面并镀有抗反膜AR。与先技术相比，本专利技术能获得的有益效果如下：1.该光学系统在保证微型显示器和出瞳位置固定的前提下，通过移动变焦组和补偿组连续增大HMD的出瞳直径，即HMD不需要加入出瞳扩展器便可实现对出瞳的扩展，从而避免了HMD整体结构的变化，降低了其加工装配难度；2.该光学系统可以实现焦距的连续可调，可使出瞳直径在一定范围内连续可调，因此，该光学系统可根据HMD使用环境的不同实现对出瞳的智能调节。3.该光学系统的设计光路为物方远心光路，可以充分利用微显示器的发散角，在人眼瞳孔处形成均匀性照度分布。另外，光学系统采用的透镜材料均为玻璃，具有高透过率，可以提高了HMD的光能利用率；4.该光学系统的设计光路在保证成像范围大小一定的前提下，当焦距为最大值时可减小入射到人眼瞳孔的视场，从而降低了光学系统的畸变，提高了HMD的成像质量；5.该光学系统在变焦过程中，其前后焦平面是固定的，HMD的入瞳始终位于无穷远处，增大了HMD的观察范围；附图说明图1视网膜扫描显示器的出瞳扩展原理图图2本专利技术出瞳可调的头戴显示器光学系统原理图图3本专利技术出瞳可调的头戴显示器光学系统实施例在不同设计参数时的光路图,其中(a)为设计参数焦距f＝20mm出瞳直径D＝2mm的设计光路图；(b)为设计参数焦距f＝60mm出瞳直径D＝6mm的设计光路图；(c)为设计参数焦距f＝100mm出瞳直径D＝10mm的设计光路图。图4本专利技术实施例的像差曲线，其中(a)为设计参数焦距f＝20mm出瞳直径D＝2mm的像差曲线；(b)为设计参数焦距f＝60mm出瞳直径D＝6mm的像差曲线；(c)为设计参数焦距f＝100mm出瞳直径D＝10本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种出瞳可调的头戴显示器光学系统，其特征在于该光学系统由前固定组、变焦组、补偿组和后固定组组成，其位置关系为：微型显示器或中间像面作为物面，依次为所述的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组，且所述的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组相对光轴呈轴对称放置，所述的前固定组和后固定组在光学系统变焦的过程中始终保持位置不变，所述的变焦组和补偿组在光学系统变焦的过程中按照各自的曲线沿光轴移动。所述的变焦组和补偿组在移动过程中保持光学系统的前焦平面和后焦平面固定，使光学系统的前焦平面和物面重合，光学系统的后焦平面和出瞳重合。

【技术特征摘要】
1.一种出瞳可调的头戴显示器光学系统，其特征在于该光学系统由前固定组、变焦组、补偿组和后固定组组成，其位置关系为：微型显示器或中间像面作为物面，依次为所述的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组，且所述的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组相对光轴呈轴对称放置，所述的前固定组和后固定组在光学系统变焦的过程中始终保持位置不变，所述的变焦组和补偿组在光学系统变焦的过程中按照各自的曲线沿光轴移动。所述的变焦组和补偿组在移动过程中保持光学系统的前焦平面和后焦平面固定，使光学系统的前焦平面和物面重合，光学系统的后焦平面和出瞳重合。2.根据权利要求1所述的出瞳可调的头戴显示器光学系统，其特征在于所述的前固定组为正透镜组，以微型显示器或其中间像面作为光学系统的物面，其像面与后焦平面重合，所述的前固定组采用正负透镜组合的胶合透镜，正光焦度透镜的材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：方瑞芳，
申请(专利权)人：塔普翊海上海智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31