一種增強現(xiàn)實式頭戴顯示器及其光路結(jié)構(gòu)的制作方法

本實用新型涉及增強現(xiàn)實技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種增強現(xiàn)實式頭戴顯示器及其光路結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

增強現(xiàn)實(Augmented Reality，簡稱AR)，是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，這種技術(shù)的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實世界并進行互動。這種技術(shù)由1990年提出，隨著隨身電子產(chǎn)品運算能力的提升，預(yù)期增強現(xiàn)實的用途將會越來越廣。

目前增強現(xiàn)實領(lǐng)域?qū)嵱玫睦忡R多為45°反射式，棱鏡的尺寸較大，重量大，而且視場角較小，成本非常高，且實際效果不好，降低了用戶體驗滿意度。

頭戴式顯示器通過一組光學(xué)系統(tǒng)(主要是精密光學(xué)透鏡)放大超微顯示屏上的圖像，將影像投射于視網(wǎng)膜上,進而呈現(xiàn)于觀看者眼中大屏幕圖像的裝置。

頭戴式顯示器(Head Mounted Display)是近年來顯示領(lǐng)域的熱門產(chǎn)品，用于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的頭戴圖像顯示裝置取得了長足的發(fā)展。由于頭戴顯示裝置安裝在觀察者的頭部，因此它必須結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以減輕觀察者的負載。頭盔顯示器主要由三個部分構(gòu)成：顯示部件、光學(xué)系統(tǒng)和卡環(huán)，要減輕重量，光學(xué)系統(tǒng)是關(guān)鍵，但光學(xué)系統(tǒng)的緊湊型與頭戴顯示器對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求之間存在一定的矛盾。對于頭戴顯示器而言，要求光學(xué)系統(tǒng)可以做到比較大的視場和出瞳直徑，因為觀察視場的增加，觀察范圍也會增加，觀察者才能更全神貫注的觀察優(yōu)質(zhì)的動態(tài)圖像，出瞳直徑增加可以保證卡環(huán)適應(yīng)不同瞳距的觀察者，而不必調(diào)整顯示器的瞳距，同時允許觀察者在觀察過程中眼珠能隨意轉(zhuǎn)動而不至于丟失圖像。但光學(xué)系統(tǒng)的視場、出瞳直徑、焦距三者之間有相互制約的關(guān)系，同時達到大視場，大出瞳直徑和短焦(即系統(tǒng)的緊湊化)并不容易。另外，像面的照度的均勻性也對使用頭盔顯示器觀看時的觀看質(zhì)量有明顯影響，光學(xué)系統(tǒng)需要兼顧上述多種需求。

現(xiàn)有的頭戴式顯示器中必須通過透鏡或透鏡組對光源所發(fā)出的光線進行折射，用來放大光線最終在人眼中所呈像的大小，常規(guī)的應(yīng)用由于光路設(shè)計的簡陋和結(jié)構(gòu)的緊湊性，這些透鏡的排放往往都是同軸的，但這種同軸的設(shè)計已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有使用者關(guān)于大視場角的需求，同軸的擺放限制對于外界光源的有效放大；同時現(xiàn)有的透鏡組和棱鏡本身在設(shè)計上也存在諸多問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的問題是：提供一種增強現(xiàn)實式頭戴顯示器及其光路結(jié)構(gòu)。

本實用新型的技術(shù)方案如下：一種光路結(jié)構(gòu)，包括顯示器件、透鏡組、波導(dǎo)棱鏡和光闌，所述顯示器件發(fā)出的光依次經(jīng)過透鏡組、波導(dǎo)棱鏡和光闌最終進入人眼，其特征在于：

所述透鏡組由不少于3個的透鏡組成，任一所述組成透鏡組的透鏡其光軸平行但不重合；在組成所述透鏡組的透鏡中，有且僅有一個透鏡的一個面為軸對稱雙二次曲面，該透鏡的另一面以及其余透鏡的面均為旋轉(zhuǎn)對稱的非球面；

所述波導(dǎo)棱鏡包括材質(zhì)相同的多曲面棱鏡和補償棱鏡；

所述多曲面棱鏡上包含5個光學(xué)作用面：第一光學(xué)面、第二光學(xué)面、第三光學(xué)面、第四光學(xué)面和第五光學(xué)面；一束光經(jīng)第一光學(xué)面折射后進入多曲面棱鏡，之后依次在第二光學(xué)面反射，第一光學(xué)面反射，第三光學(xué)面反射、第五光學(xué)面反射、第四光學(xué)面反射，最后經(jīng)第五光學(xué)面折射而出；

所述第一光學(xué)面、第二光學(xué)面、第四光學(xué)面為軸對稱的雙二次曲面，其面型方程為：

其中，

R_x和R_y分別為x和y方向的曲率半徑，k_x和k_y分別為x和y方向的二次曲面系數(shù)；

所述補償棱鏡上設(shè)有入射面和補償面，所述補償面和第四光學(xué)面互補；另一束光經(jīng)入射面折射后進入補償棱鏡，之后依次經(jīng)過補償面折射出補償棱鏡、第四光學(xué)面折射進入多曲面棱鏡，最后經(jīng)過第五光學(xué)面折射出多曲面棱鏡。

進一步，所述透鏡組由不少于3個的透鏡組成，其中至少有一個正透鏡和一個負透鏡，且正、負透鏡之間的阿貝數(shù)差的絕對值大于20小于40，任一所述透鏡的折射率在1.48至1.65之間。

進一步，任一所述透鏡組中的透鏡，其前后表面的光軸均重合。

進一步，任一所述組成透鏡組的透鏡其表面均鍍有增透膜。

進一步，所述第一光學(xué)面、第二光學(xué)面以及第四光學(xué)面都分別關(guān)于x軸和y軸對稱。

進一步，所述第一光學(xué)面為柱面，其R_x＝0，K_x＝0。

進一步，所述第三光學(xué)面和第五光學(xué)面為平面，且互相平行。

進一步，所述第四光學(xué)面為半反半透面，其表面鍍有半反半透膜，所述第二光學(xué)面表面鍍有反射膜。

進一步，所述多曲面棱鏡高度為40mm-60mm，厚度為5mm-10mm；所述第一光學(xué)面和第二光學(xué)面之間的夾角為20°-30°，所述第四光學(xué)面和第五光學(xué)面之間的夾角為20°-30°。

進一步，所述顯示器件為微型顯示器。

再進一步，所述微型顯示器為微型LED顯示器、微型OLED顯示器或微型激光成像裝置。

一種增強現(xiàn)實式頭戴顯示器，其特征在于：包括上述所述的光路結(jié)構(gòu)。

本實用新型的有益效果在于：1.本實用新型提供的大視場角增強現(xiàn)實棱鏡，棱鏡的尺寸可以大大減小、減輕了重量、加工簡單；2.本實用新型的大視場角增強現(xiàn)實棱鏡和頭戴式顯示器，可以通過更大入射角度的光線，增大了視場角。

附圖說明

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實用新型中波導(dǎo)棱鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為波導(dǎo)棱鏡中多曲面棱鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為波導(dǎo)棱鏡中補償棱鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為實施例中透鏡組的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1、顯示器件， 2、透鏡組，

3、波導(dǎo)棱鏡， 4、光闌，

21、第一透鏡， 22、第二透鏡，

23、第三透鏡，

31、補償棱鏡， 32、多曲面棱鏡，

311、入射面， 312、補償面，

321、第一光學(xué)面， 322、第二光學(xué)面，

323、第三光學(xué)面， 324、第四光學(xué)面，

325、第五光學(xué)面。

具體實施方式

技術(shù)名詞說明：

半反半透膜：具有透光性的反射膜。

出瞳直徑：是指光線經(jīng)過目鏡匯聚后，在目鏡后形成的亮斑的直徑。

雙二次曲面，即Biconic，與環(huán)形面相似，其坐標方程為：

其中，；x、y分別為以Biconic曲面幾何中心為原點、與Biconic曲面定點相切的平面直角坐標系橫坐標和縱坐標，即c_x和c_y分別為兩條主子午線的曲率，k_x，k_y均為圓錐系數(shù)。(方程出自《Zemax中文使用手冊》，271頁)。

旋轉(zhuǎn)對稱非球面，也可以解釋為偶次非球面英文為even asphere，其坐標方程為：

其中c’為曲面頂點的曲率，r為曲面上的點所在位置的半徑,k′以及a₁～a₈分別為even asphere曲面的conic系數(shù)和非球面高次項系數(shù)，k′以及a₁～a₈通過Zemax軟件進行優(yōu)化獲得。even asphere曲面的整體形狀參數(shù)c′、k′以及a₁～a₈決定。

折射率：折射率，光在真空中的傳播速度與光在該介質(zhì)中的傳播速度之比。材料的折射率越高，使入射光發(fā)生折射的能力越強。折射率越高，鏡片越薄，即鏡片中心厚度相同，相同度數(shù)同種材料，折射率高的比折射率低的鏡片邊緣更薄。本案中涉及Nd3，其解釋為第三透鏡在d線的折射率，也可以理解是介質(zhì)在方和菲光譜d(氦黃線587.56nm)的折射率。

阿貝數(shù)，也稱"V-數(shù)",用來衡量介質(zhì)的光線色散程度。由于同一透明介質(zhì)對不同波長的光存在折射率的差異，而白光又是由不同波長的各色光組成的，因此透明物質(zhì)在折射白光時會發(fā)生色散這一特殊現(xiàn)象。阿貝數(shù)就是用以表示透明物質(zhì)色散能力的反比例指數(shù)，數(shù)值越小色散現(xiàn)象越厲害。本案中涉及的Vd1和Vd2指的是第一透鏡和第二透鏡在d線的阿貝數(shù)，也可以理解為是介質(zhì)在方和菲光譜d(氦黃線587.56nm)的阿貝數(shù)。

下面結(jié)合附圖本實用新型的1種實施方式做出簡要說明，在本實施例中透鏡組所采用的透鏡數(shù)量為3個。

如圖1至5所示，一種光路結(jié)構(gòu)，包括顯示器件1、透鏡組2、波導(dǎo)棱鏡3和光闌4，所述顯示器件1發(fā)出的光依次經(jīng)過透鏡組2、波導(dǎo)棱鏡3和光闌4最終進入人眼。

如圖5，所述顯示器件1發(fā)出的光線，經(jīng)第三透鏡23的表面23a折射后進入第三透鏡23，經(jīng)過第三透鏡23的表面23b折射后離開第三透鏡23，經(jīng)第二透鏡22的表面22a折射后進入第二透鏡22，經(jīng)過第二透鏡22的表面22b折射后離開第二透鏡22，經(jīng)第一透鏡21的表面21a折射后進入第一透鏡21，經(jīng)過第一透鏡21的表面21b折射后離開第一透鏡21。上述透鏡組2的所有表面均鍍有增透膜，以減少光線能力的損失。

所述透鏡組2的透鏡有且僅有一個面為軸對稱的雙二次曲面(biconic)，其余的面均為旋轉(zhuǎn)對稱的非球面，所述透鏡組2中的每個透鏡其前后表面的光軸均重合，第一透鏡21、第二透鏡22和第三透鏡23的光軸均平行，但不重合。以圖5的坐標系為參考，第一透鏡21的光軸與坐標系的Z軸方向重合，第二透鏡22和第三透鏡23的光軸均與Z軸平行，在Y軸方向上有一定的偏移。其偏移量在±5mm之間。

所述透鏡組2至少含有一個負透鏡和一個正透鏡，且正負透鏡的阿貝數(shù)差的絕對值大于20小于40，任一所述透鏡的折射率在1.48到1.65之間。

如圖2所示，所述波導(dǎo)棱鏡3包括補償棱鏡31和多曲面棱鏡32。

光線經(jīng)過曲面棱鏡第一光學(xué)面321折射后進入曲面棱鏡32，然后在第二光學(xué)面322內(nèi)側(cè)反射，再經(jīng)過第一光學(xué)面321反射，然后經(jīng)過第三光學(xué)面323反射，接在第五光學(xué)面325反射，然后在第四光學(xué)面324反射，最后在第五光學(xué)面325折射后進入光闌2過濾，最終進入人眼的視網(wǎng)膜上成像。

外界的光學(xué)進過補償棱鏡31的入射面311折射后進入補償棱鏡31，然后經(jīng)過曲面棱鏡32鏡第四光學(xué)面324后進入曲面棱鏡32，最后在第五光學(xué)面325折射后進入人眼的視網(wǎng)膜上成像。

第一光學(xué)面、第二光學(xué)面、第四光學(xué)面為軸對稱的雙二次曲面，其面型方程為：

其中，

R_x和R_y分別為x和y方向的曲率半徑，k_x和k_y分別為x和y方向的二次曲面系數(shù)。

所述第一光學(xué)面321、第二光學(xué)面322以及第四光學(xué)面324都分別關(guān)于x軸和y軸對稱。

所述第一光學(xué)面321為柱面，其R_x＝0，K_x＝0

第三光學(xué)面323與第五光學(xué)面325為平面。

第一光學(xué)面321既是折射面又是反射面，光線第一次經(jīng)過第一光學(xué)面321時折射，第二次經(jīng)過第一光學(xué)面321時反射。

第五光學(xué)面325既是折射面又是反射面，光線第一次經(jīng)過第五光學(xué)面325時反射，第二次經(jīng)過第五光學(xué)面325時折射。

第四光學(xué)面324為半透半反面。

光線在第一光學(xué)面321，第三光學(xué)面323和第五光學(xué)面25的反射均為全反射，沒有任何能量損失。

本實施例中，如圖2、圖3所示，補償棱鏡31的第一光學(xué)面311為平面，第二光學(xué)面312與曲面棱鏡32的第四光學(xué)面324互補。

曲面棱鏡32的長度在40-60mm之間，厚度在5-10mm之間，曲面棱鏡32第一光學(xué)面321與第二光學(xué)面322之間的夾角在20-30°之間，曲面棱鏡32第四光學(xué)面324與第五光學(xué)面25之間的夾角在320-30°之間。

本實用新型提出了一種結(jié)構(gòu)非常緊湊、質(zhì)量很輕的光路結(jié)構(gòu)，用于頭戴式顯示器中，將頭戴微型顯示器件顯示的圖像放大并經(jīng)位于光闌處的人眼成像。有效的減少了棱鏡的體積，實現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)的緊湊性，同時透鏡組不同軸的設(shè)計與波導(dǎo)棱鏡的組合有效的增大了入射角，減少像差，最終增加了視場角。

以上對本實用新型的一個實施例進行了詳細說明，但所述內(nèi)容僅為本實用新型的較佳實施例，不能被認為用于限定本實用新型的實施范圍。凡依本實用新型申請范圍所作的均等變化與改進等，均應(yīng)仍歸屬于本實用新型的專利涵蓋范圍之內(nèi)。