專利名稱：頭戴顯示器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及頭戴顯示器，它包括兩個分開的光通道公用的圖象顯示系統(tǒng)；以及光學系統(tǒng)，用來通過第一和第二光通道把在圖象顯示系統(tǒng)中形成的圖象投射到頭戴顯示器的右和左出射光孔中，每一個光通道包括成象光學部件，光學系統(tǒng)包括第一凹形反射鏡(hollowmirror)和設置在圖象顯示系統(tǒng)和第一凹形反射鏡之間的分束器。
從國際專利申請WO 96/05532知道開篇中所述類型的頭戴顯示器。在該申請中所描述的頭戴顯示器中，經由兩個光通道，借助向場透鏡、凹形反射鏡和兩個交叉的反射表面，把液晶圖象顯示板成象在頭戴顯示器的左和右出射光孔上，所述兩個光通道各自包括折疊式反射鏡和包含三個透鏡的目鏡。假定頭戴顯示器的出射光孔與用戶的瞳孔重合。最后，把圖象成象在用戶雙眼的視網膜上。
該申請中所描述的頭戴顯示器的缺點是大量的透鏡和反射鏡使得這種設計比較昂貴?？梢杂帽阋说牟牧?，例如合成樹脂材料來代替玻璃。但是，這具有以下缺點由此獲得的圖象的質量顯著地下降。
本發(fā)明的目的是提供一種具有比較簡單的設計、低的成本和輕的重量的頭戴顯示器。
為此目的，根據本發(fā)明的頭戴顯示器具有以下特征第一光通道的成象光學部件包括第二凹形反射鏡和第一剖開鏡，以及第二光通道的成象光學部件包括第三凹形反射鏡和第二剖開鏡，在圖象顯示系統(tǒng)和分束器之間設置透鏡。
這里，通過將凹形反射鏡和剖開鏡組合起來而獲得三透鏡目鏡的功能。建議在圖象顯示板和分束器之間設置透鏡，以便優(yōu)化圖象質量。該透鏡是兩個光通道公用的。所建議的頭戴顯示器組件是比較簡單的。此外，光學部件的數目減少了。還可以省去向場透鏡。這樣，所述頭戴顯示器將具有比較輕的重量。
根據本發(fā)明的頭戴顯示器的另一個實施例具有以下特征第一光通道的成象光學部件包括第二凹形反射鏡和第一剖開鏡，以及第二光通道的成象光學部件包括第三凹形反射鏡和第二剖開鏡，在每一個光通道的剖開鏡和凹形反射鏡之間設置折疊式反射鏡。
代替公共光通道中的透鏡，在每一個光通道中設置折疊式反射鏡，以便優(yōu)化圖象質量。
根據本發(fā)明的頭戴顯示器的最佳實施例具有以下特征分束器的第一剖開鏡和第一光通道的第一剖開鏡具有指定的共同位置，以及分束器的第二剖開鏡和第二光通道的第二剖開鏡具有指定的共同位置，剖開鏡可以圍繞自身的旋轉點旋轉，使得所述位置保持不變。
分束器的第一剖開鏡可以同光通道的第一剖開鏡、例如通過分束器的第一剖開鏡把圖象發(fā)送到其中的第一光通道的第一剖開鏡構成規(guī)定的角度。分束器的第二剖開鏡可以同光通道的第二剖開鏡、例如通過分束器的第二剖開鏡把圖象發(fā)送到其中的第二光通道的第二剖開鏡構成規(guī)定的角度。它們構成的角度可以是例如90°。在這種配置中，圖象顯示系統(tǒng)存在于各光通道之間，而剖開鏡存在于分束器的相對側。一方面，分束器的第一剖開鏡和第一光通道的第一剖開鏡，另一方面，分束器的第二剖開鏡和第二光通道的第二剖開鏡，可以是例如彼此平行的。在這種情況下，剖開鏡存在于各光通道之間，而圖象顯示系統(tǒng)存在于分束器的相對側。
如上所述，通過圍繞其自身軸轉動剖開鏡以及保持各光通道中分束器的剖開鏡的共同位置，可以使光瞳間距適合于用戶。
根據本發(fā)明的頭戴顯示器的另一個實施例具有以下特征圖象顯示系統(tǒng)包括反射式圖象顯示板；第一凹形反射鏡至少是半透明的，而照明系統(tǒng)存在于第一凹形反射鏡的遠離圖象顯示板的一側；以及照明系統(tǒng)和光通道包括偏振器，照明系統(tǒng)的偏振器和光通道中的偏振器正交。
使用反射式圖象顯示板的優(yōu)點是與透射式圖象顯示板中的情況相比，象素之間的“盲”空間小得多。這具有如下結果象素被以密集得多的方式堆放，使得與透射式圖象顯示板相比較，相同數目的象素所需要的表面積小得多。因此，圖象顯示板將便宜德多。
根據本發(fā)明的頭戴顯示器的另一個實施例具有以下特征頭戴顯示器的至少若干個光學曲面是非球面的。
從而顯著地減小了諸如彗形象差、象散和場曲象差等成象誤差。
下面將參考下文中所述的實施例闡明本發(fā)明的這些和其它方面，由此將明白本發(fā)明的這些和其它方面。
附圖中

圖1(a)和(b)是根據本發(fā)明的頭戴顯示器的實施例的平面圖；圖2顯示反射鏡組合的實施例；圖3，4和5是根據本發(fā)明的頭戴顯示器的一些實施例的透視圖。
圖1(a)是根據本發(fā)明的頭戴顯示器1的示意的平面圖。頭戴顯示器1包括圖象顯示系統(tǒng)3。為簡單起見，用單個圖象顯示板表示圖象顯示系統(tǒng)3。實際上，通常情況就是這樣。圖象顯示板可以是反射式的或透射式的。例如，圖象顯示板是TN(扭曲向列)液晶圖象顯示板。
可以用環(huán)境光線照亮圖象顯示板。但是，最好使用照明系統(tǒng)，因為可以獲得比較強的光輸出，從而可以獲得比較亮的圖象。照明系統(tǒng)的位置由圖象顯示板的類型確定，并且將在下文中說明。
來自圖象顯示板3的光線入射到包括第一剖開鏡7和第二剖開鏡9的分束器上。兩個反射鏡7、9彼此構成規(guī)定的角度。例如，可以將它們正交地疊放，如圖2的實施例中所示的那樣。來自圖象顯示板的光束至少部分地穿過分束器到達凹形反射鏡11，光束在凹形反射鏡11上向分束器反射。分束器接著把光束對分成兩個光通道13、15。圖象來源于兩個光通道公用的圖象顯示板。在每一個光通道13、15中用標號10表示的虛線區(qū)域中，形成圖象顯示板的放大或未放大的中間圖象。中間圖象的放大倍數由起成象元件作用的凹形反射鏡11確定。中間圖象隨后在用戶雙眼的視網膜(未示出)上成象。光通道13、15終止于假定大致與用戶的瞳孔重合的出射光孔35、37?？梢越柚诠庠?4、16阻擋經由分束器但未經過凹形反射鏡而到達光通道的光線，因為這種光線對圖象的形成沒有貢獻，但產生干擾光線。所述遮光元件應當具有這樣的形狀，使得它不阻擋這種反射的光線。實際上，這意味著在垂直平面上遮光元件與把沒有用的光線輸送到相關的光通道中的分束器的剖開鏡是互補的。所述遮光元件將不阻擋首先經由凹形反射鏡轉換到圖象的光線。
每一個光通道13、15包括成象光學部件?？梢杂酶鞣N方式實現成象光學部件。在圖1(a)中所示的根據本發(fā)明的第一實施例中，每一個光通道的成象光學部件分別包括剖開鏡17、19和凹形反射鏡21、23。剖開鏡和凹形反射鏡的組合代替了通常的三透鏡目鏡。為了優(yōu)化圖象質量，建議在圖象顯示板3和分束器之間設置透鏡18。與迄今知道的頭戴顯示器相比較，本申請中建議的頭戴顯示器輕得多、較易裝配并且比較便宜。
光線中將對圖象的形成有貢獻并且入射在分束器上的部分將由分束器的每一個剖開鏡7、9輸送到光通道中。分束器的剖開鏡7和光通道15的剖開鏡19(分束器的剖開鏡7把對圖象的形成有貢獻的光線輸送到其中)最好基本上彼此平行。這種要求適用于剖開鏡9和17。在這種配置中，凹形反射鏡11存在于兩個光通道13、15之間，同時，圖象顯示板3存在于分束器的相對側。一方面，剖開鏡7和19，另一方面，剖開鏡9和17，可以構成規(guī)定的角度，例如90°的角度，而不是彼此平行，但是，圖象顯示板3和凹形反射鏡11交換位置。后一種可能性示于圖3的透視圖中。
根據本發(fā)明的另一方面，建議使分束器的剖開鏡和各光通道的剖開鏡都能夠圍繞其自身軸旋轉，使得剖開鏡7和19的相互位置以及剖開鏡9和17的相互位置得到保持。這意味著，一方面，剖開鏡7和19，另一方面，剖開鏡9和17，應當或者繼續(xù)構成相同的角度，或者保持基本上彼此平行。由于旋轉的緣故，將有可能使光瞳間距(IPD)適合于每一個用戶。例如，可以在55和70mm之間改變所述IPD。剖開鏡7、9、17、19可以圍繞旋轉點51、53、55、57旋轉。旋轉點55和57重合。
圖1(b)中，分束器的剖開鏡7、9彼此構成與圖1(a)中的不同的角度。這種情況也適合于剖開鏡17、19。用距離d表示IPD的一半值。不同的剖開鏡的旋轉導致圖1(a)中的IPD不同于圖1(b)中的IPD。
圖1(a)和1(b)之間的另一個差別在于圖1(a)中的圖象顯示板是反射式的，而圖1(b)中的顯示板是透射式的。
圖4是類似于圖1(a)和1(b)中所示的實施例的透視圖。圖象顯示板的類型在本實施例的考慮之外，因此，未示出照明系統(tǒng)。分束器7、9把來自圖象顯示板并且已經通過凹形反射鏡的光線對分成兩個光通道13、15。這種光線被送到剖開鏡17、19，并且，在這些反射鏡上，至少部分地被反射到第一光通道13中的凹形反射鏡21和第二光通道15中的凹形反射鏡23。在每一個凹形反射鏡21、23上再次發(fā)生反射。在凹形反射鏡21上反射的光線至少部分地由剖開鏡17向出射光孔35輸送，而在凹形反射鏡23上反射的光線至少部分地由剖開鏡19向出射光孔37輸送。兩個光通道13、15公用的透鏡18確保使圖象質量最佳化。
圖5是根據本發(fā)明的頭戴顯示器的另一個實施例的透視圖。在該圖中，圖象顯示板的類型也是在考慮的范圍之外。來自圖象顯示板3的、經由凹形反射鏡11到達分束器7、9并且因此包含圖象信息的光線再次被對分成兩個光通道13、15。光線首先投射在第一光通道13的折疊式反射鏡41上和第二光通道15的折疊式反射鏡43上。折疊式反射鏡41把入射光線向剖開鏡17反射，而折疊式反射鏡43把入射光線向剖開鏡19反射。剖開鏡17至少把入射光線的一部分向凹形反射鏡21反射，而剖開鏡19至少把入射光線的一部分向凹形反射鏡23反射。凹形反射鏡21再次把光線向剖開鏡17反射，而凹形反射鏡23再次把光線向剖開鏡19反射。每一個剖開鏡17、19將至少把這種入射光線的一部分向相關的出射光孔輸送。在這種情況下，圖4中所示的兩個光通道公用的透鏡18由每一個光通道中的折疊式反射鏡41和43代替。
最好以非球面的形式來實現頭戴顯示器中光學元件的光學曲面。從而顯著地減小了諸如場曲象差、彗形象差和象散等成象誤差。
如上文中已經說明的，照明系統(tǒng)的位置由圖象顯示板的類型確定，而且其構成也由圖象顯示板的類型確定。如果使用透射式圖象顯示板，則照明系統(tǒng)25存在于圖象顯示板3的遠離分束器7、9的一側，如圖1(b)中所示。例如，照明系統(tǒng)25包括光源27和聚焦透鏡29。來自光源27的光線由聚焦透鏡29進行平行校正，并且隨后投射在圖象顯示板3上。例如，光源可以是發(fā)光二極管或發(fā)光二極管陣列，或氣體放電后照明裝置。對于彩色圖象，光源提供“白”光是重要的。
如果使用反射式圖象顯示板，則例如以半透明反射鏡的形式來實現凹形反射鏡11，并且照明系統(tǒng)設置在凹形反射鏡11的遠離分束器的一側。圖1(a)示出一個實施例。例如，照明系統(tǒng)25可以由光源27、聚焦透鏡29和偏振器31構成。來自光源27的光線由聚焦透鏡29進行平行校正，并且隨后被偏振器31進行線偏振，即，大約一半光線被吸收。隨后，所述線偏振光通過凹形反射鏡并且部分地通過反射鏡組合7、9輸送到圖象顯示板3。在由圖象顯示板調制和反射之后，大約一半光束被發(fā)送到光通道13中，而另一半光束被輸送到光通道15中。在偏振器32之前有遮光元件14。在偏振器34之前有遮光元件16。兩個偏振器32和34的定向器具有相同的取向，而偏振器31的定向器和偏振器32、34的定向器正交。結果，必須產生圖象中的暗的象素的光線被偏振器32和34阻擋。來自圖象顯示板中那些已經被激勵的象素的并且必須產生圖象中的亮的象素的光線的偏振方向將被旋轉。因此，所述偏振器將隨灰度等級而定，全部或部分地傳輸這種光線。
另一種方法是，可以用反射式偏振器的形式來實現偏振器31。于是，光線中具有對圖象顯示板無用的偏振方向的那部分光線被向著光源反射，并且可以通過λ/4板(λ/4 plate)和反射器(未示出)恢復這部分光線。因此，λ/4板存在于光源和偏振器之間，而反射器存在于光源后面。λ/4板把由偏振器反射的線偏振光轉換成圓偏振光。這種圓偏振光投射到所述反射器上，后者將使這種光線的旋轉方向反向，并且反射這種光束。在從反射器上反射之后，這種光線再次到達反射式偏振器，并且將朝著圖象顯示板傳輸。
在反射式圖象顯示板中，光源最好是紅-綠-蘭發(fā)光二極管。隨后用不同的彩色照亮圖象顯示板，而紅、綠和蘭色圖象與這種照明同時連貫地出現在圖象顯示板上。
在使用反射式圖象顯示板的實施例中，原則上可以省去遮光元件14、16，因為偏振器僅僅傳輸對圖象的形成有貢獻的光線。實際上，由于偏振器不是理想的，所以，仍然可以提供遮光元件來優(yōu)化圖象的對比度。應當指出，在所述透視圖中未示出遮光元件。
權利要求
1.一種頭戴顯示器，它包括兩個分開的光通道公用的圖象顯示系統(tǒng)；以及光學系統(tǒng)，用來通過第一和第二光通道把在圖象顯示系統(tǒng)中形成的圖象投射到頭戴顯示器的右和左出射光孔中，每一個光通道包括成象光學部件，所述光學系統(tǒng)包括第一凹形反射鏡和設置在所述圖象顯示系統(tǒng)和所述第一凹形反射鏡之間的分束器，其特征在于所述第一光通道的所述成象光學部件包括第二凹形反射鏡和第一剖開鏡，以及所述第二光通道的所述成象光學部件包括第三凹形反射鏡和第二剖開鏡，在所述圖象顯示系統(tǒng)和所述分束器之間設置透鏡。
2.一種頭戴顯示器，它包括兩個分開的光通道公用的圖象顯示系統(tǒng)；以及光學系統(tǒng)，用來通過第一和第二光通道把在圖象顯示系統(tǒng)中形成的圖象投射到頭戴顯示器的右和左出射光孔中，每一個光通道包括成象光學部件，所述光學系統(tǒng)包括第一凹形反射鏡和設置在所述圖象顯示系統(tǒng)和所述第一凹形反射鏡之間的分束器，其特征在于所述第一光通道的所述成象光學部件包括第二凹形反射鏡和第一剖開鏡，以及所述第二光通道的所述成象光學部件包括第三凹形反射鏡和第二剖開鏡，在每一個光通道的所述剖開鏡和所述凹形反射鏡之間設置折疊式反射鏡。
3.權利要求1或2的頭戴顯示器，其特征在于所述分束器的所述第一剖開鏡和所述第一光通道的所述第一剖開鏡具有指定的相互位置，以及所述分束器的所述第二剖開鏡和所述第二光通道的所述第二剖開鏡具有指定的相互位置，所述剖開鏡可以圍繞自身的旋轉點旋轉，使得所述位置保持不變。
4.權利要求1、2或3的頭戴顯示器，其特征在于所述圖象顯示系統(tǒng)包括反射式圖象顯示板；所述第一凹形反射鏡至少是半透明的，同時，照明系統(tǒng)存在于所述第一凹形反射鏡的遠離所述圖象顯示板的一側；以及所述照明系統(tǒng)和每一個光通道包括偏振器，所述照明系統(tǒng)的所述偏振器和所述光通道中的所述偏振器正交。
5.權利要求1、2、3或4的頭戴顯示器，其特征在于所述頭戴顯示器的至少若干個光學曲面是非球面。
全文摘要
本發(fā)明涉及頭戴顯示器,它包括兩個分開的光通道公用的圖象顯示系統(tǒng)。該頭戴顯示器還包括光學系統(tǒng),用來把圖象投射到頭戴顯示器的左和右出射光孔中。每一個光通道配備有成象光學部件。這種光學通道的成象光學部件包括凹形反射鏡和半透明反射鏡,或者凹形反射鏡、半透明反射鏡和折疊式反射鏡。
文檔編號G02B5/30GK1262743SQ99800387
公開日2000年8月9日 申請日期1999年1月18日 優(yōu)先權日1998年1月28日
發(fā)明者W·G·奧普海 申請人:皇家菲利浦電子有限公司