CN108983425A - 一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置。该装置包括：微显示屏、目镜组、垂直扩展波导装置以及水平扩展波导装置；微显示屏和垂直扩展波导装置分别设置于目镜组的焦平面和出射光路上，目镜组用于将微显示屏发出的光束准直为平行光束；水平波导装置设置于垂直波导装置的出射光路上；水平耦合入射面与垂直波导装置的上下底面平行；垂直扩展波导装置用于将目镜组出射的平行光束在垂直等效尺寸增大；水平波导装置用于将垂直扩展光束水平等效尺寸增大，得到二维扩展光束并出射到人眼眼瞳。该发明能在扩大视场角的同时减小装置的体积，并克服垂轴像差、场曲和畸变的缺点。

Description

一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置

技术领域

本发明涉及光学显示技术领域，特别是一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置。

背景技术

头戴显示器(Head-mounted displays，简称HMD)是指通过各种头显，向眼睛发送光学信号，可以实现虚拟现实(Virtual Reality，VR)、增强现实(Augmented Reality，AR)、混合现实(Mix reality，MR)等不同效果，被广泛应用于虚拟现实***中，用以增强用户的视觉沉浸感。光学显示装置中，用于增强现实的头戴显示器可以让人们在查看周围环境的同时，将虚拟的图像投射到人眼，投影的虚拟图像可以叠加在用户感知的真实世界上，在军事，工业，娱乐，医疗，交通运输等领域有着重要的意义。

目前用于增强现实的透射型头戴显示器，如果想要扩大视场角，必然会导致光学显示装置体积的增大，且现有的头戴显示器通常采用离轴非球面构成折反射***，虽然实现了大视场角观看，但是这种***一般会产生很大的垂轴像差、场曲和畸变，使虚拟画面变形，影响用户体验。

发明内容

本发明的目的是提供了一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置，能在扩大视场角的同时减小装置的体积，并克服垂轴像差、场曲和畸变的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置，包括：微显示屏、目镜组、垂直扩展波导装置以及水平扩展波导装置；

所述微显示屏设置于所述目镜组的焦平面上，所述垂直扩展波导装置设置于所述目镜组的出射光路上，所述目镜组用于将所述微显示屏发出的光束准直为平行光束并出射；所述水平波导装置设置于所述垂直波导装置的出射光路上；

所述垂直扩展波导装置与所述水平扩展波导装置均为由至少两个平行四角棱镜和至少一个梯形棱镜按顺序依次胶合而成的梯形棱镜，所述水平波导装置的水平耦合入射面与所述垂直波导装置的上下底面平行，所述水平耦合入射面与所述水平波导装置的基底平面呈45°角；所述垂直扩展波导装置用于将所述目镜组出射的平行光束在垂直方向上进行等效尺寸增大，得到垂直扩展光束并出射；所述水平波导装置用于将所述垂直扩展波导装置出射的垂直扩展光束在水平方向上进行等效尺寸增大，得到二维扩展光束并出射到人眼眼瞳。

可选的，所述微显示屏为有机发光二极管、硅基液晶屏或具有发光功能的微显示芯片。

可选的，所述目镜组由单片或多片透镜组成，所述透镜材质为光学玻璃或光学塑料，全视场范围畸变小于1％。

可选的，所述垂直波导装置的垂直耦合入射面材质为光学玻璃、光学塑料或浮雕光栅。

可选的，所述垂直扩展波导装置以及所述水平扩展波导装置的斜面为平行四角棱镜的斜面，镀有不同反射率的介质膜层金属线栅，所述斜面反射率为1％-50％，用于将接收到的光线***为两条光线，一条为按照反射定律进行反射传播的平行光线，一条为携带能量增减的平行光线。

可选的，所述垂直扩展波导装置的多个斜面的相邻斜面之间的斜面间距设置为1-8mm。

可选的，所述水平扩展波导装置与所述垂直扩展波导装置的两个相互平行的平面之间的间隙设置为0-10mm。

可选的，所述水平扩展波导装置的整体厚度为2mm。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置，虚拟图像从微显示器发出，经过目镜***后耦合进入垂直扩展波导器件，经过垂直方向扩瞳后，虚拟图像光线耦合进入水平扩展波导器件，最终虚拟图像光线从水平扩展波导器件的多个四角平行棱镜斜面反射输出，虚拟图像光线最终进入人眼，实现虚拟显示，将虚拟显示画面实时与现实世界景物重叠在一起，同时存在于同一空间中，使用者既能观看到虚拟画面的信息，也能看到现实世界的各类景物信息，在实现了大视场角，大出瞳范围的同时缩小了装置体积，解决了以往技术大视场角与装置体积无法兼顾的矛盾，克服了垂轴像差、场曲和畸变的缺点，提高了画面显示清晰度。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置的结构示意图；

图2为本发明二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置的正视图；

图3为本发明二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置的俯视图。

其中，图中标号为：微显示屏1、目镜组2、垂直扩展波导装置3以及水平扩展波导装置4、人眼眼瞳5、入射光线6、垂直耦合入射面301、水平耦合入射面401、垂直扩展波导装置斜面302、水平扩展波导装置斜面402、入射光线6、通过垂直扩展波导装置得到的平行光线601、通过水平扩展波导装置得到的平行光线602。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明的目的是提供了一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置，能在扩大视场角的同时减小装置的体积，并克服垂轴像差、场曲和畸变的缺点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置的结构示意图；图2为本发明二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置的正视图；图3为本发明二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置的俯视图。

如图1-3所示，一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置，包括：微显示屏1、目镜组2、垂直扩展波导装置3以及水平扩展波导装置4；

所述微显示屏1设置于所述目镜组2的焦平面上，所述垂直扩展波导装置3设置于所述目镜组2的出射光路上，所述目镜组2用于将所述微显示屏1发出的光束准直为平行光束并出射；所述水平波导装置4设置于所述垂直波导装置3的出射光路上；

所述垂直扩展波导装置3与所述水平扩展波导装置4均为由至少两个平行四角棱镜和至少一个梯形棱镜按顺序依次胶合而成的梯形棱镜，所述水平波导装置的水平耦合入射面401与所述垂直波导装置3的上下底面平行，所述水平耦合入射面401与所述水平波导装置的基底平面呈45°角；所述垂直扩展波导装置3用于将所述目镜组2出射的平行光束在垂直方向上进行等效尺寸增大，得到垂直扩展光束并出射；所述水平波导装置4用于将所述垂直扩展波导装置3出射的垂直扩展光束在水平方向上进行等效尺寸增大，得到二维扩展光束并出射到人眼眼瞳5。

所述微显示屏1为有机发光二极管、硅基液晶屏或具有发光功能的微显示芯片。

所述目镜组2由单片或多片透镜组成，所述透镜材质为光学玻璃或光学塑料，全视场范围畸变小于1％。

所述垂直波导装置3的垂直耦合入射面301材质为光学玻璃、光学塑料或浮雕光栅，平行光线往前传播进入垂直扩展波导3的垂直耦合入射面301，根据折射定律n1*sinI＝n2*sinθ，n1指入射介质的折射率，n2指出射介质的折射率，I是入射角，指入射光与入射面法线的夹角，θ是出射角，指出射光与入射面法线的夹角。

当垂直耦合入射面301为光学玻璃或光学塑料的抛光平面时，光线传播规律按照折射定律n1*sinI＝n2*sinθ。当垂直耦合入射面301为浮雕光栅时，光线传播规律按照光栅方程：

d*(n1*sinI+n2*sinθ)＝m*λ，n1指入射介质的折射率，n2指出射介质的折射率，I是入射角，指入射光与入射面法线的夹角，θ是出射角，指出射光与入射面法线的夹角，d是指对应的光栅常数，m指衍射级次，λ指对应光线波长

所述垂直扩展波导装置3以及所述水平扩展波导装置的斜面402为平行四角棱镜的斜面，镀有不同反射率的介质膜层金属线栅，所述斜面402反射率为1％-50％，优选为10％-30％，用于将接收到的光线***为两条光线，一条为按照反射定律进行反射传播的平行光线，一条为携带能量增减的平行光线。

所述垂直扩展波导装置3的多个斜面的相邻斜面之间的斜面间距设置为1-8mm，优选为3-5mm。

所述水平扩展波导装置4与所述垂直扩展波导装置3的两个相互平行的平面之间的间隙设置为0-10mm，优选为0.5mm。

所述水平扩展波导装置4的整体厚度为2mm，现有的扩展波导装置厚度会超过10mm。

本发明一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置的具体工作过程为：

微显示屏发出光线6，通过目镜组2准直为平行光线601；

所述平行光线601照射到所述垂直扩展波导装置3的斜面302，光线遵从折反射定律，在波导基底内部进行传输，光束在垂直方向等效尺寸增大；

光线继续传播，照射到所述水平扩展波导装置4的斜面402，光线遵从折反射定律，在波导基底内部进行传输，光束在水平方向等效尺寸增大,，从而进入人眼眼瞳。

所述垂直扩展波导装置4用于将光线进行垂直方向出瞳扩展，若以垂直耦合入射面301处输入光束尺寸为4*4mm，相邻斜面间隔在4mm计算，则入瞳垂直方向大小为4mm，扩瞳后大小等于4*4＝16mm。

经过垂直扩展波导装置3垂直扩瞳后的平行光线将依次进入水平扩展波导装置4的水平耦合入射面401，将根据全反射原理和折反射定律进行传播，最终实现水平扩瞳功能。

在水平扩展波导装置4中，水平耦合入射面401与水平扩展波导扎装置4基底大平面夹角(锐角)a为30～80°之间，优选地，我们设置夹角a为45°，则0视场光线(即平行光线106)在基底大平面的入射角为45°，满足全反射原理，平行光线106在水平扩展波导4基底内进行全反射传播。出瞳水平方向大小为4*6＝24mm。

最后，通过垂直扩展波导3和水平扩展波导4进行二维出瞳扩展后的出瞳大小为24*16mm。

由以上分析可知，若垂直扩展波导装置3的斜面数量为N，水平扩展波导装置4的斜面数量为M，入瞳尺寸为D*D，则经过二维扩瞳后，出瞳水平方向大小为M*D，出瞳垂直方向大小为N*D。

最终，大出瞳尺寸，大视场角度光束会进入人眼眼瞳5，成虚拟像。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置，其特征在于，包括：微显示屏、目镜组、垂直扩展波导装置以及水平扩展波导装置；

所述微显示屏设置于所述目镜组的焦平面上，所述垂直扩展波导装置设置于所述目镜组的出射光路上，所述目镜组用于将所述微显示屏发出的光束准直为平行光束并出射；所述水平波导装置设置于所述垂直波导装置的出射光路上；

所述垂直扩展波导装置与所述水平扩展波导装置均为由至少两个平行四角棱镜和至少一个梯形棱镜按顺序依次胶合而成的梯形棱镜，所述水平波导装置的水平耦合入射面与所述垂直波导装置的上下底面平行，所述水平耦合入射面与所述水平波导装置的基底平面呈45°角；所述垂直扩展波导装置用于将所述目镜组出射的平行光束在垂直方向上进行等效尺寸增大，得到垂直扩展光束并出射；所述水平波导装置用于将所述垂直扩展波导装置出射的垂直扩展光束在水平方向上进行等效尺寸增大，得到二维扩展光束并出射到人眼眼瞳。

2.根据权利要求1所述的一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置，其特征在于，所述微显示屏为有机发光二极管、硅基液晶屏或具有发光功能的微显示芯片。

3.根据权利要求1所述的一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置，其特征在于，所述目镜组由单片或多片透镜组成，所述透镜材质为光学玻璃或光学塑料，全视场范围畸变小于1％。

4.根据权利要求1所述的一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置，其特征在于，所述垂直波导装置的垂直耦合入射面材质为光学玻璃、光学塑料或浮雕光栅。

5.根据权利要求1所述的一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置，其特征在于，所述垂直扩展波导装置以及所述水平扩展波导装置的斜面为平行四角棱镜的斜面，镀有不同反射率的介质膜层金属线栅，所述斜面反射率为1％-50％，用于将接收到的光线***为两条光线，一条为按照反射定律进行反射传播的平行光线，一条为携带能量增减的平行光线。

6.根据权利要求5所述的一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置，其特征在于，所述垂直扩展波导装置的多个斜面的相邻斜面之间的斜面间距设置为1-8mm。

7.根据权利要求1所述的一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置，其特征在于，所述水平扩展波导装置与所述垂直扩展波导装置的两个相互平行的平面之间的间隙设置为0-10mm。

8.根据权利要求1所述的一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置，其特征在于，所述水平扩展波导装置的整体厚度为2mm。