CN103941398B

CN103941398B - 透过式眼镜显示器

Info

Publication number: CN103941398B
Application number: CN201410140837.6A
Authority: CN
Inventors: 肖雪; 谭小地; 林枭
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2034-04-09
Also published as: CN103941398A; WO2015154643A1

Abstract

本发明涉及显示设备，具体提供了一种透过式眼镜显示器。针对现有反射波导器件的透过式眼镜显示器光能利用率低、波导厚度过大佩戴不舒适的缺点，本发明以对入射图像所在光波波段反射率很高而其他波段反射率很低的部分反射膜作为反射器件，组成包括导光板和设置在导光板中的入射反射器件和至少一个显示反射器件的结构，用于使入射图像经入射反射器件反射后，在导光板内侧的两平行面间全反射传播，并在至少一个显示反射器件处反射后出射显示。本发明可以提高眼镜显示器的光能利用率，光学性能稳定，同时使结构紧凑化，减轻***的整体质量。

Description

透过式眼镜显示器

技术领域

本发明涉及显示设备，具体涉及一种透过式眼镜显示器。

背景技术

头戴式显示器是佩戴在头上的图像显示器器件，通常以帽子、头盔或者眼镜架等作为支撑放置在使用者的头部。主要由四部分构成：图像信息显示源，电路控制***、光学成像***，和固定支撑结构。它利用光学***将微显示器发出的图像投影在人的眼前，成放大的虚像。头戴式显示器是现代便携式移动显示装置中的新产品，在增强现实、虚拟现实的图像显示以及立体显示等方面有广泛的应用。

作为头戴式显示器中最为轻便的一种新型穿戴式显示设备，眼镜显示器不仅能应用在军事方面，更可以应用在工业上、医疗上及日常生活中，扩展了传统头戴式显示器的应用领域。眼镜显示器大体上可以分为透过式和直视型两种，其中的透过式眼镜显示器作为一种增强显示装置，不仅能将小型的二维显示器所产生的图像经过光学***，成像于人眼前方，还可以将虚拟的物体或者信息叠加在真实场景上显示，比直视型的眼镜显示器更加安全、使用范围更广泛。

反射波导采用嵌入反射光学器件的导光基板进行导光，是透过式眼镜显示器中具有突出优势的一种技术手段。相比较离轴曲面镜、全息波导、衍射波导或偏振波导而言，没有颜色不均匀的问题，而且其可以使用塑料衬底，可以大大减轻器件质量同时降低成本。另外，其对投影器件没有特殊要求（比如偏振波导就需要使用极化了的微显示器作为微型投影器）。

但是在现有技术中，使用反射波导器件的透过式眼镜显示器一般采用的是普通的半透半反薄膜嵌入波导。这样的结构一方面由于半透半反薄膜的使用导致光能利用率低，另一方面其反射器件的大小与视场和眼睛的移动框成正比，会迫使波导的厚度增大，使整个器件的质量和体积都增大，佩戴不舒适。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供一种透过式眼镜显示器，可以提高眼镜显示器的光能利用率和光学性能稳定性，使结构紧凑化，减轻***的整体质量。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种透过式眼镜显示器，其特征在于，包括导光板和设置在导光板中的入射反射器件和至少一个显示反射器件，用于使入射图像经入射反射器件反射后，在导光板内侧的两平行面间全反射传播，并在至少一个显示反射器件处反射后出射显示；

所述入射反射器件和至少一个显示反射器件的反射面为平面或者曲面，且上面设有部分反射膜；

在可见光波段中，所述部分反射膜的反射率仅在所述入射图像所在的若干个宽度不大于100nm的波段内不低于0.2，在可见光波段中的其他波段内所述部分反射膜的反射率不大于0.4。

优选地，所述导光板由透明材料制成。

优选地，所述入射反射器件上的部分反射膜为负滤光片，所述负滤光片的反射率在入射图像所在的若干个宽度不大于100nm的波段内不低于0.8。

优选地，沿所述入射图像传播方向，所述至少一个显示反射器件上的部分反射膜在所述入射图像所在的若干个宽度不大于100nm的波段内的反射率依次增大。

优选地，所述至少一个显示反射器件具体为三个，沿所述入射图像传播方向，三个显示反射器件在所述入射图像所在的若干个宽度不大于100nm的波段内的反射率依次为0.2-0.4、0.4-0.6和0.8-1.0。

优选地，所述部分反射膜采用无机材料制成。

优选地，所述至少一个显示反射器件的反射面互相平行。

优选地，所述入射反射器件的反射面与任意一个所述显示反射器件的反射面关于导光板的一条法线对称。

优选地，所述显示反射器件反射面与导光板所夹锐角θ、入射图像入射到导光板时的折射角α、以及导光板的折射率n满足：

其中n₀为真空折射率。

优选地，所述显示反射器件反射面与导光板所夹锐角θ介于20°与45°之间。

（三）有益效果

本发明至少具有如下的有益效果：

本发明主要是采用了在入射图像所在的较窄波段内的反射率很高，而其余波段透射率很高的部分反射膜（当然指的是可见光波段范围内），使得入射图像可以在设有部分反射膜的反射面上特异性反射，从而使入射图像在导光板和反射器件间传播，最终在各显示反射器件的反射面上反射后折射进入人眼。也就是说，只有在入射图像所在的较窄波段内的光线才能经入射反射器件进入导光板内全反射传播、继而成像；而其他波段的光线在这些反射器件的反射面上都会大部分透射过去，所以外部场景的光线可以透过，从而实现透射式显示。

相比较背景技术而言，这些部分反射膜上的对特定波段的反射率可以达到很高（接近100%）的水平，所以在成像过程中的光强损失很小，可以提高显示器的光能利用率。而且，这样的部分反射膜反射器件可以以很少的反射器件在一个很紧凑的结构下完成其眼镜显示器的功能，使整个导光板的厚度大大降低，同时减轻了***的整体质量。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例中透过式眼镜显示器的结构示意图；

图2是本发明一个实施例中RGB图像从微型投影器入射到导光板的简化示意图；

图3是本发明一个实施例中外部光线透过导光板的光路示意图；

图4是本发明一个优选实施例中一个波导的侧视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提出了一种透过式眼镜显示器，参见图1，包括：

导光板（包括上表面1和下表面2）和设置在导光板中的入射反射器件（3）和至少一个显示反射器件（4、5、6，图中仅以三个为例），用于使入射图像经入射反射器件（3）反射后，在导光板内侧的两平行面（1、2）间全反射传播，并在至少一个显示反射器件（4、5、6）处反射后出射显示；

所述入射反射器件（3）和至少一个显示反射器件（4、5、6）的反射面可以为平面或曲面，且上面设有部分反射膜；

其中，关于入射图像入射角、各反射器件的倾斜角间应使得光在导光板内传播时满足全反射条件。

可见，将具有这样结构的导光板作为眼镜显示器的左右两眼的镜片，并采用双目双源的显示方法，就可以制成具有两个像源和两套光学***的眼镜显示器。当然，也可以基于同样的发明构思采用一个镜片一个显示源，单眼显示的方法，或者两个镜片共用一个显示源等具体方案，其显然不脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

以常见的RGB显示器为例，参见图2，图像的光线（红、蓝、绿三种单色光）从微型显示器（7）处发出，经过孔径光阑（8）、并经准直透镜（9）后汇聚，入射到导光板的下表面（2）上之后，先发生折射，然后到达入射反射器（3）的反射面上。因为各反射器的反射面上都设有对入射图像所在波段（红、蓝、绿）光线反射率很高而对其他波段光线透射率很高的部分反射膜，所以入射光线中的红蓝绿三色光会在此处发生反射到导光板的下表面（2）处，并以全反射的形式上下反射传播。而其他波段的入射光线会直接透过入射反射器的反射面，而不会进入导光板的全反射光路当中。

而且，由于该方案中采用了至少一个显示反射器件，所以眼镜显示器的视场范围可以通过改变显示反射器件的数量来进行调整。不考虑显示反射器件之间间距带来的显示效果上的差别，数量较多的显示反射器件就能带来较大的视场范围，同时每个部分反射面上出射光线的光强会有所下降；相反地，数量较少的显示反射器件可以使每个部分反射面上出射光线的光强很高，但是其视场范围就会受到限制。

基于有益效果中所述，这样的透过式眼镜显示器可以提高眼镜显示器的光能利用率，使结构紧凑化，减轻***的整体质量。

优选地，导光板由透明材料制成。参见图3，这样可以使外部光线直接透射穿过导光板，不会对人眼透过眼镜看到的外界图像造成很大影响。

优选地，所述入射反射器件上的部分反射膜为负滤光片，所述负滤光片的反射率在入射图像所在的若干个宽度不大于100nm的波段内不低于0.8。负滤光片是从光谱范围中除去（反射）某一波段，而在反射带的两侧连接两个高透射带的干涉膜系。它的特性包括极小透射率、对应于透射率极小值的波长以及反射带区域的半宽度。窄带高反膜是反射带区域的半宽度极窄，最小透射率接近100%的一种负滤光片。这样的设置可以较大程度地减小图像从入射到出射这一过程中的光强损失，进一步提高光能利用率。

优选地，沿所述入射图像传播方向，所述至少一个显示反射器件上的部分反射膜在所述入射图像所在的若干个宽度不大于100nm的波段内的反射率依次增大。这样的设置下，入射图像可以分别在多个显示反射器件上发生部分反射，从而可以对这些从小到大的反射率进行设计，使最终入射到人眼的平行光在每一段的光强都是均匀的，显示效果更好。比如说，更优选地，在显示反射器件具体为三个的时候，反射率就可以分别设置为33%左右、50%左右和100%附近（具体取0.2-0.4、0.4-0.6和0.8-1.0），这样就可以使每一次的反射都反射出约1/3的光强，从而使出射的平行光光强均匀分布。有实验证明，在设置显示反射器件具体为三个的时候，显示效果较一个或更多个来说更优。

优选地，所述部分反射膜采用无机材料制成，选用无机材料制成的部分反射膜具有更优的光学稳定性，更适用于本发明实施例所提出的眼镜显示器。

为了更清楚本地说明本发明的技术方案，下面在上述任意一种透过式眼镜显示器的基础之上，提出一种更为详细具体的优选方案。

参见图4，采用部分反射薄膜嵌入导光板作为反射器件，利用光的干涉原理实现某个或几个波段的光线较高反射率，其他光线较高透射率。在这一结构下，入射图像的光线与导光板的上下表面（1，2）所夹锐角为θ，入射到导光板的下表面（2）上折射角为α，在入射反射器件的部分反射薄膜（3）上入射角就为(θ-α)。显示、显示反射器件的部分反射表面（4，5，6，同样地，数量仅为示例）与导光板的上下表面（1，2）所夹锐角也为θ。

也就是说，所述至少一个显示反射器件的反射面互相平行，而且所述入射反射器件的反射面与任意一个所述显示反射器件的反射面关于导光板的一条法线对称。

整体说来，该透过式眼镜显示器的工作原理如下：图像的光线（红、蓝、绿三种单色光）从微型显示器（7）处发出，经过孔径光阑（8）、并经准直透镜（9）后汇聚，入射到导光板的下表面（2）上之后，先发生折射，然后到达入射反射器（3）的反射面上。在经窄带高反光学面（3）的反射之后，有大部分光线反射，小部分光线透射。其中反射光线到达导光板的下表面（2），并在上下表面（1、2）间全反射向前传播；经过部分反射膜的表面（4、5、6）后部分光线透射、部分光线反射，反射光线经过导光板折射后出射，到达人眼。而外部光线直接进入导光板，经过部分反射膜表面（4、5、6）后，大部分光线透射，一小部分光线反射，透射的光线进入人眼。

其中，为满足全反射条件，需要使所述显示反射器件反射面与导光板所夹锐角θ、入射图像入射到导光板时的折射角α、以及导光板的折射率n满足：

其中n₀为真空折射率。

优选地，选取θ=20°～45°附近，其在实验上的显示效果较好。

而且，这样以相同倾斜角度的一定间隔的平行反射面，可以增大出射光束的宽度，从而增大眼睛观察的范围，以适用于不同瞳距的人眼使用。其中，对于部分反射膜（4、5、6）之间的距离，可以根据所需部分反射膜的倾斜角设置。因为出射平行光束的间距是由这一距离决定的，所以可以通过调节这一距离来调整出射光束间距。类似地，也可以通过设置多个显示反射器件来获得更大的视场。

该优选方案主要是将显示反射器件的反射面设为互相平行的一系列平面，除具有上面叙述过的有益效果之外，这样的结构可以使整个导光板的厚度大大降低，并减轻***的整体质量，在相同厚度的情况下，提高了视场和眼睛的移动范围。而且，采用入射、出射结构对称的设计，可以消除色差、色移以及温度形变引起的偏差等，提高成像质量。反射膜采用无机材料，可以提高材料的光学稳定性。

综上所述，本发明提出了一种轻质、结构紧凑、可靠性高的透过式眼镜显示器，其可以以很少的反射器件在一个很紧凑的结构下完成其眼镜显示器的功能，使整个导光板的厚度大大降低，同时减轻***的整体质量。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种透过式眼镜显示器，其特征在于，包括导光板和设置在导光板中的入射反射器件和至少一个显示反射器件，用于使入射图像经入射反射器件反射后，在导光板内侧的两平行面间全反射传播，并在至少一个显示反射器件处反射后出射显示；

所述入射反射器件和至少一个显示反射器件的反射面为平面或者曲面，且所述反射面上设有部分反射膜；

所述部分反射膜用于反射所述入射图像所在波段内的光线，透射其他波段内的光线；

2.根据权利要求1所述的透过式眼镜显示器，其特征在于，所述导光板由透明材料制成。

3.根据权利要求1所述的透过式眼镜显示器，其特征在于，所述入射反射器件上的部分反射膜为负滤光片，所述负滤光片的反射率在入射图像所在的若干个宽度不大于100nm的波段内不低于0.8。

4.根据权利要求1所述的透过式眼镜显示器，其特征在于，所述至少一个显示反射器件具体为多于一个的显示反射器件；沿所述入射图像传播方向，所述多于一个的显示反射器件上的部分反射膜在所述入射图像所在的若干个宽度不大于100nm的波段内的反射率依次增大。

5.根据权利要求4所述的透过式眼镜显示器，其特征在于，所述至少一个显示反射器件具体为三个，沿所述入射图像传播方向，三个显示反射器件在所述入射图像所在的若干个宽度不大于100nm的波段内的反射率依次为0.2-0.4、0.4-0.6和0.8-1.0。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的透过式眼镜显示器，其特征在于，所述部分反射膜采用无机材料制成。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的透过式眼镜显示器，其特征在于，所述至少一个显示反射器件具体为多于一个的显示反射器件；所述多于一个的显示反射器件的反射面互相平行。

8.根据权利要求7所述的透过式眼镜显示器，其特征在于，所述入射反射器件的反射面与任意一个所述显示反射器件的反射面关于导光板的一条法线对称。

9.根据权利要求7所述的透过式眼镜显示器，其特征在于，所述显示反射器件反射面与导光板所夹锐角θ、入射图像入射到导光板时的折射角α、以及导光板的折射率n满足：

其中n₀为真空折射率。

10.根据权利要求9所述的透过式眼镜显示器，其特征在于，所述显示反射器件反射面与导光板所夹锐角θ介于20°与45°之间。