[实用新型]基于球面棱镜的头戴显示器的光学系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，特别是光学系统和器件设计领域，适用于虚拟现实与增强现实领域。

背景技术

头盔显示器（Head Mounted Display，简称HMD）分为半投型与全投型，它能将小型二维显示器所产生的图像经由光学系统放大，将准直图像显示到无穷远或是足够远的地方，成几米之外数十米的屏幕效果。由于头戴显示装置安装在观察者的头部，因此它必须紧凑和轻量化，以减轻观察者的负载。随着观察视场的增加，观察范围也会增加，观察者才能更全神贯注的观察优质的动态图像。对于头戴显示器系统而言，大视场也是相当重要的。光学系统的视场、出瞳直径，焦距三者之间是相互制约的关系，同时达到大视场、大出瞳直径和短焦距相当困难。

头盔显示器的种类很多，在结构上能实现最小轻量化的一般利用自由曲面棱镜的类型，由于自由曲面的加工难度较大，而且集合于一个棱镜上，使用加工基准难以确定，最终加工误差较大。

美国专利Pat.No.5，959，780和6，292，301，利用自由曲面棱镜(Free-Form surface Prism，FFSM)改进HMD光学系统，解决了光学系统对视场角、出瞳距离的要求与小型轻量化之间的矛盾。但由于FFSM光学系统仅使用一种玻璃材料，无法校正色差，实现宽波段显示。

中国专利CN 102012563A公开了一种基于自由曲面棱镜的头盔显示器光学系统，其在FFSM的基础上引入二元光学元件，解决了一种玻璃无法校正色差的问题。但是，FFSM的加工本身就非常困难，如果再引入二元光学面，则加工起来极其困难，或者成本成倍增加，甚至无法实现。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就是针对以上现在技术的不足，提供一种基于球面棱镜的头戴显示器光学系统，可实现彩色显示，能有效校正像差提高像质，适合虚拟现实或增加现实的头戴显示器光学系统。

本实用新型基于球面棱镜的头戴显示器光学系统至少由一个球面棱镜、一块球面透镜、一块微型显示器组成，微型显示器所发出的光依次经过球面透镜、球面棱镜后准直入射到人眼瞳孔中，从人眼瞳孔处到微型显示器方向来看，光依次经过球面棱镜的第一表面、第二表面、第一表面、第三表面，再进入球面透镜的第一表面、第二表面，最后到达微型显示器；球面棱镜第一表面为凹面形状的透射面；球面棱镜第二表面为凹面形状的反射面，起放大图像的作用，外侧镀有反射层；球面棱镜第三表面为凹面形状的透射面；球面透镜为单透镜；球面棱镜与球面透镜的各个光学面均为球面。

作为本实用新型的进一步改进，所述的微型显示器为0.59至0.63英寸的微型显示器。

作为本实用新型的进一步改进，所述的微型显示器为有机电致发光显示器。

作为本实用新型的进一步改进，所述的球面棱镜，从人眼瞳孔处到微型显示器方向来看，光从球面棱镜第二表面到达第一表面后全部发生全反射。

作为本实用新型的进一步改进，所述的球面棱镜的三个球面均两两不同心。

作为本实用新型的进一步改进，所述的球面棱镜所使用材料为PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）或PS（聚苯乙烯）。

作为本实用新型的进一步改进，所述的球面透镜所使用的材料与球面棱镜的不同，为光学玻璃。

作为本实用新型的进一步改进，当像面位于无穷远时，头盔显示器的角分辨率为：

θ=min[2tgω2m,2tgv2n]]]>