專利名稱：眼鏡顯示器的光學成像系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及眼鏡顯示器領域。
技術背景在1968年，美國ARPA信息處理技術辦公室主任Ivan Sutherland建立 了 "達摩克里斯之劍"頭盔顯示器，它被認為是世界上第一個頭盔顯示器， 該頭盔顯示器能顯現(xiàn)二維圖像，沒有浸沉感，用戶只能看到的線框圖疊加 在真實環(huán)境之上。該頭盔顯示器采用傳統(tǒng)的軸對稱光學系統(tǒng)，因此體積和 重量都較大。1975年，J.H.Clark利用Ivan Sutherland設計的頭盔顯示器和 Utah大學開發(fā)的機械Wand建立了一個曲面設計的交互環(huán)境。由于當時的 相關技術還不成熟，并沒有產(chǎn)生廣泛的影響，但這已是進入虛擬技術(virtual reality,簡稱VR)應用的前奏。1982年，Thomas Furness III展示了帶有六個自由度跟蹤定位的頭盔 顯示器(HMD),從而使用戶完全脫離的周圍環(huán)境。1984年，Michael McGreevy在NASAAmes創(chuàng)建了并不昂貴的三維立體HMD。 1985年，Scott Fisher在NASA繼續(xù)三維立體HMD工程的發(fā)展，創(chuàng)建了由操作者位置、 聲音和手勢控制、且?guī)в袕V角立體顯示的頭盔式顯示系統(tǒng)。與之同時，VPL 研究小組研制出了數(shù)據(jù)手套，該數(shù)據(jù)手套能夠用來測量每個手指關節(jié)的彎 曲程度。1986年末，NASA的一個研究小組集成了一個VR(虛擬現(xiàn)實)的 3D環(huán)境，用戶可以用手抓住某個虛擬物體并操縱它，并可以用手勢和系統(tǒng) 進行初步交互。現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，頭盔式顯示器是最早的VR顯示器，它利用 頭盔將人對外界的視覺和聽覺封閉起來，引導用戶產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境 中的感覺。但是，由于技術的原因，該頭盔式顯示器所需要空間很大，所 以產(chǎn)品外形也很大。隨著技術的發(fā)展，技術越來越成熟，如今甚至可以在 如一副眼鏡大小的空間內(nèi)安裝該虛擬系統(tǒng)。因此，更具有使用和實用意義 的眼鏡顯示器誕生了。和頭盔顯示器一樣，眼鏡顯示器由圖像信息顯示系統(tǒng)、光學成像系統(tǒng)、 電路控制與連接系統(tǒng)、頭盔結構及配重系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)等組成。在這五部
分中，以光學成像系統(tǒng)最為關鍵，因為用戶是通過光學成像系統(tǒng)觀察圖像， 如果設計不合理，圖像會產(chǎn)生嚴重的諸如畸變、亮度不夠等問題，用戶會 感到惡心或者眼睛很快就會疲勞。為了保證成像質(zhì)量，系統(tǒng)需要足夠的空 間來滿足成像要求。眼鏡顯示器能將一寸不到的液晶顯示器上的圖象通過 偏心自由曲面透鏡放大投影成兩米外五十英寸大的圖象，如同在電影院般 的效果。請參閱圖1，現(xiàn)有的眼鏡顯示器的光學成像系統(tǒng)包括沿光路順序分布的液晶顯示器l、膠合棱鏡2及自由曲面棱鏡3，且該液晶顯示器l、膠合 棱鏡2及自由曲面棱鏡3水平布置并共軸，從而使整個眼鏡顯示器的厚度 達到30mm左右。由于該等眼鏡顯示器的厚度較厚，會導致眼鏡的重心靠 前，并不是直接落在人的鼻梁上，會造成眼鏡有前傾的趨勢，因此使用者 需要不斷用手固定復位，佩帶時間長了將會感到很疲累。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術問題是，克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種厚度 較小且配戴舒適的眼鏡顯示器的光學成像系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是該眼鏡顯示器的光學成 像系統(tǒng)，包括在垂直方向沿光路順序設置的圖像信息顯示源及棱鏡組合， 該棱鏡組合具有入射來自圖像信息顯示源的入射光軸及從該棱鏡組合向人 眼射出光束的射出光軸，且該入射光軸和出射光軸垂直。所述的棱鏡組合包括自由曲面棱鏡及由兩塊棱鏡膠合而成的膠合棱 鏡，該圖像信息顯示源、膠合棱鏡及自由曲面棱鏡在垂直方向順序布置， 且該自由曲面棱鏡具有全反射面，該全反射面與該自由曲面棱鏡水平表面 的切線成45度夾角。所述的膠合棱鏡面向圖像信息顯示源的表面為凹面，其面向自由曲面棱鏡的表面為凸面。所述的自由曲面棱鏡的面向膠合棱鏡 的入射面及面向人眼的出射面均為凸面。所述的自由曲面棱鏡在垂直方向 呈上寬下窄的三角形狀。本發(fā)明的有益效果是，由于圖像信息顯示源和棱鏡組合在垂直方向上 放置，能夠有效減小整個眼鏡顯示器的厚度，而且由于厚度減小，使整個 眼鏡顯示器的重心貼近了臉部，使佩戴更加舒適。
圖1是現(xiàn)有眼鏡顯示器的光學成像系統(tǒng)的結構示意圖。圖2是本發(fā)明眼鏡顯示器的光學成像系統(tǒng)的結構示意圖。
圖3是本發(fā)明眼鏡顯示器的光學成像系統(tǒng)的光路圖。
具體實施方式
請參閱圖2及圖3,本發(fā)明眼鏡顯示器的光學成像系統(tǒng)包括在垂直方 向沿光路順序放置的圖像信息顯示源及棱鏡組合。該圖像信息顯示源1為 液晶顯示器1 。該棱鏡組合包括膠合棱鏡2及自由曲面棱鏡3，該膠合棱鏡 2包括兩塊棱鏡，該兩塊棱鏡在膠合面20通過膠水而粘接一體，兩棱鏡的 間距為零，該膠合棱鏡面向液晶顯示器的入射面21為凹面，該膠合棱鏡面 向自由曲面棱鏡的出射面22為凸面。通過兩塊棱鏡起到消除畸變的作用， 通過將入射面21設置為凹面，可以減小圖像邊緣的像差，也可以保持整個 畫面的對比度，使得邊緣部分不置于灰暗。該自由曲面棱鏡3具有一個入射面31、 一個全反射面32及一個出射 面33。該入射面31面向膠合棱鏡并為凸面。該全發(fā)射面32采用的是折射 率較高的材料，所以全反射角小，且全反射面與該自由曲面棱鏡水平表面 的切線成45度夾角，使光線能全部反射并平行水平射出。該出射面33面 向人眼并為凸面。該自由曲面棱鏡3在垂直方向上上寬下窄，而成為一個 三角形。該光學系統(tǒng)的工作原理如下圖像的光線從液晶顯示器l上射出，該 光線經(jīng)過膠合棱鏡2后到達自由曲面棱鏡3，在自由曲面棱鏡3的全反射 面32上發(fā)生全反射，從而使光路光軸改變90度后從出射面33出射(即入 射光軸垂直，出射光軸水平.使該入射光軸和出射光軸垂直)，平行進入人 眼。本發(fā)明中，由于將整個光學成像系統(tǒng)的部分光路折合在垂直方向(即該 眼鏡顯示器的高度方向)，所以可以減小整個眼鏡顯示器的厚度；由于自由 曲面棱鏡設計為三角形，也可以使得外觀成為流線型，更具觀賞性；由于 將一部分光路折合在垂直方向，所以可以更好的覆蓋人眼，減少甚至避免 外界光線進入人眼，使用者可以專心觀看眼鏡顯示器的播放內(nèi)容，而且佩 戴起來更為合適，即使長時間佩戴也不會有太多的不適。以上內(nèi)容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說 明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術 領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若 干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明由所提交的權利要求書確定的 專利保護范圍。
權利要求
1.一種眼鏡顯示器的光學成像系統(tǒng)，其特征在于包括在垂直方向沿光路順序設置的圖像信息顯示源及棱鏡組合，該棱鏡組合具有入射來自圖像信息顯示源的入射光軸及從該棱鏡組合向人眼射出光束的射出光軸，且該入射光軸和出射光軸垂直。
2. 按照權利要求1所述的眼鏡顯示器的光學成像系統(tǒng)，其特征在于 所述的棱鏡組合包括自由曲面棱鏡及由兩塊棱鏡膠合而成的膠合棱鏡，該 圖像信息顯示源、膠合棱鏡及自由曲面棱鏡在垂直方向順序布置，且該自 由曲面棱鏡具有全反射面，該全反射面與該自由曲面棱鏡水平表面的切線 成45度夾角。
3. 按照權利要求2所述的眼鏡顯示器的光學成像系統(tǒng)，其特征在于 所述的膠合棱鏡面向圖像信息顯示源的表面為凹面，其面向自由曲面棱鏡 的表面為凸面。
4. 按照權利要求2所述的眼鏡顯示器的光學成像系統(tǒng)，其特征在于 所述的自由曲面棱鏡的面向膠合棱鏡的入射面及面向人眼的出射面均為凸面。
5. 按照權利要求2-4中任意一項所述的眼鏡顯示器的光學成像系統(tǒng)， 其特征在于所述的自由曲面棱鏡在垂直方向呈上寬下窄的三角形狀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種眼鏡顯示器的光學成像系統(tǒng)，它包括在垂直方向沿光路順序設置的圖像信息顯示源及棱鏡組合，該棱鏡組合具有入射來自圖像信息顯示源的入射光軸及從該棱鏡組合向人眼射出光束的射出光軸，且該入射光軸和出射光軸垂直。由于圖像信息顯示源和棱鏡組合在垂直方向上放置，能夠有效減小整個眼鏡顯示器的厚度，而且由于厚度減小，使整個眼鏡顯示器的重心貼近了臉部，使佩戴更加舒適。
文檔編號G02B27/01GK101153959SQ20061006285
公開日2008年4月2日 申請日期2006年9月26日 優(yōu)先權日2006年9月26日
發(fā)明者陳超偉 申請人:比亞迪股份有限公司