一種投影式平面波導頭盔顯示器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種投影式平面波導頭盔顯示器，包括微型顯示器件、投影光學系統(tǒng)、平面波導和返射型投影屏幕，平面波導內部設有光學耦入端和光學耦出端，微型顯示器發(fā)出的光線經(jīng)過投影光學系統(tǒng)成像后，透射進入平面波導的光學耦入端；光學耦入端將接收到的光線進行反射，使被反射的光線在平面波導的兩個反射面之間多次全反射后傳輸至平面波導的光學耦出端；光學耦出端將接收到的光線反射至返射型投影屏幕上；返射型投影屏幕將接收到的光線進行反射，使光線原路返回并從平面波導的光學耦出端透射進入人眼，使用本發(fā)明，能夠解決了現(xiàn)有頭盔顯示器體積大的問題，通過設計不同的結構還能擴大了觀測視場，降低了投影光學系統(tǒng)的設計難度。
【專利說明】一種投影式平面波導頭盔顯示器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實領域，具體地涉及一種投影式的平面波導頭盔顯示器。
【背景技術】
[0002]用于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的頭盔圖像顯示系統(tǒng)是近些年來顯示領域中的熱門產品，廣泛應用在娛樂、科學研究、醫(yī)療、軍事、教育等諸多領域，為了生成高沉浸感的圖形圖像系統(tǒng)，頭盔顯示裝置需要能夠提供大視場的景象，同時它也需要結構緊湊、重量輕，以減輕用戶頸部的疲勞感。
[0003]圖1是由J.Fergason提出，后來H.Hua和J.Rolland的一種投影式頭藍顯示器結構示意圖，由微型顯示器發(fā)出的光線經(jīng)過投影光學系統(tǒng)的成像后透過人眼前的半透半反鏡片反射到返射型投影屏幕，返射型投影屏幕表面由微小角錐棱鏡或者微型圓珠構成，對于微小角錐棱鏡結構，光線可以在角錐內經(jīng)過三次反射后沿著原光路的反方向返回，對于微型圓珠，光線進入微型圓珠聚焦到一點，在該點處進行反射，反射后光線沿著原光路的反方向返回。微型顯示器件發(fā)出的光波按照上述過程經(jīng)過投影光學系統(tǒng)和半透半反鏡片，到達返射型投影屏幕后每一條光線按照原光路返回，又透過半透半反鏡片進入人眼，從而使得人眼看到圖像。
[0004]這種形式結構簡單，且能夠在一定程度上實現(xiàn)大視場，但是其最大視場受到半透半反鏡片的體積嚴重限制，如果需要獲得很大視場角的投影式頭盔顯示系統(tǒng)，人眼前的半透半反鏡的視軸方向的厚度一定很大，這樣會增加人眼前光學系統(tǒng)的體積，增加人的不舒適感。
[0005]而且這種形式還有一個重要的缺點就是整個頭盔顯示器相對于人眼的出瞳大小需要等于投影光學系統(tǒng)的出瞳大小，如果投影式頭盔顯示器的出瞳要求很大，為投影光學系統(tǒng)的設計增加了難度。

【發(fā)明內容】

[0006]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種投影式的平面波導頭盔顯示器，解決了現(xiàn)有頭盔顯示器體積大的問題。
[0007]—種投影式平面波導頭盔顯示器，包括微型顯示器件、投影光學系統(tǒng)、平面波導和返射型投影屏幕，所述平面波導內部設有光學耦入端和光學耦出端；
[0008]所述微型顯示器發(fā)出的光線經(jīng)過投影光學系統(tǒng)成像后，透射進入平面波導的光學奉禹入端；
[0009]所述光學耦入端將接收到的光線進行反射，使被反射的光線在平面波導的兩個反射面之間多次全反射后傳輸至平面波導的光學耦出端；
[0010]所述光學耦出端將接收到的光線反射至返射型投影屏幕上；
[0011]所述返射型投影屏幕將接收到的光線進行反射，使光線原路返回并從平面波導的光學耦出端透射進入人眼。
[0012]所述微型顯示器件為LCoS，IXD，OLED或DMD顯示元件。
[0013]所述光學耦出端由2個以上平行放置的半透半反鏡組成。
[0014]所述半透半反鏡的數(shù)目為3-5片。
[0015]所述半透半反鏡的反射面和平面波導的反射面的夾角大于15ο并且小于40ο。
[0016]所述平面波導包括平行放置的兩個子平面波導，分別為第一平面波導和第二平面波導；第一平面波導設置第一光學耦入端和第一光學耦出端，第二平面波導設置第二光學耦入端和第二光學耦出端，第一光學耦出端的半透半反鏡陣列和第二光學耦出端的半透半反鏡陣列的半透半反鏡的排布的延伸方向相互垂直；第一光學耦入端作為平面波導的光學耦入端，第二光學耦出端作為平面波導的光學耦出端；
[0017]第一光學I禹出端和第二光學I禹入端位置對應,傳輸至第一平面波導第一光學I禹出端的光線被反射至大平面波導的第二光學耦入端，光線經(jīng)過第二光學耦入端反射后，進入第二平面波導中進行傳播，被大平面波導的反射面多次反射后到達第二光學耦出端。
[0018]所述小平面波導位于投影光學系統(tǒng)和大平面波導之間或位于人眼和大平面波導之間。
[0019]所述光學耦入端采用設置于平面波導內部的反射鏡實現(xiàn)。
[0020]所述光學耦入端采用鍍有反射膜的平面波導傾斜內表面實現(xiàn)。
[0021]所述光學耦入端采用全息面或衍射面實現(xiàn)。
[0022]有益效果
[0023]1.本發(fā)明采用平面波導結構對光路進行限制，消除了傳統(tǒng)頭盔顯示器中直接采用一個半透半反鏡造成的視軸方向的厚度大以及整個頭盔顯示器體積大的問題。
[0024]2、本發(fā)明在平面波導的光學耦出端采用一組2個以上平行放置的半透半反鏡陣列，使得頭盔顯示器的出瞳不局限于投影光學系統(tǒng)的出瞳大小，只要半透半反鏡的數(shù)量足夠大就可以無限擴大視場角，從而降低了投影光學系統(tǒng)的設計難度。
[0025]3、本發(fā)明一較佳實施例中的光學耦出端的半透半反鏡陣列包括3-5片半透半反鏡，避免了光多次透過半透半反鏡后攜帶能量迅速降低.[0026]4、本發(fā)明中的半透半反鏡陣列的反射面和平面波導反射面的夾角大于15ο并且小于40ο，在這個范圍內使得光學耦出端能夠有效的保證光學系統(tǒng)的光盡可能多的進入人目艮，降低雜散光。
[0027]5、本發(fā)明一較佳實施例采用兩個子平面波導配合能夠使得整個投影式平面波導頭盔顯示器的出瞳在投影光學元件的出瞳基礎上沿著水平方向和豎直方向兩個方向上進行擴展，擴大了觀測視場。
[0028]6、本發(fā)明一較佳實施例中第一平面波導位于投影光學系統(tǒng)和第二平面波導之間或位于人眼和第二平面波導之間，能夠根據(jù)具體情況進行設置，方便安裝。
[0029]7、本發(fā)明平面波導的光學耦入端采用一個反射鏡保證進入平面波導的光經(jīng)過其反射后滿足光線在平面波導進行全反射的條件，且反射鏡能夠加工在矩形波導內部，保證了平面波導整體矩形結構，方便安裝。
[0030]8、本發(fā)明一較佳實施例的光線進入平面波導進行第一次反射的反射區(qū)域為斜面，該斜面作為平面波導的光學耦入端，且表面鍍有反射膜，保證進入平面波導的光經(jīng)過其反射后滿足光線在平面波導進行全反射的條件，使用這種結構，減少了系統(tǒng)膠合加工的環(huán)節(jié)。
[0031]9、本發(fā)明一較佳實施例光線進入平面波導進行第一次反射的反射區(qū)域為為全息或衍射面，作為平面波導光學耦入端，使用這種結構作為光學耦入端使得光學投影系統(tǒng)進
一步簡化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為現(xiàn)有技術的投影式頭盔顯示器示意圖；
[0033]圖2為實施例一投影式的平面波導頭盔顯示器示意圖；
[0034]圖3為實施例二投影式的平面波導頭盔顯示器示意圖；
[0035]圖4為實施例三投影式的平面波導頭盔顯示器示意圖；
[0036]圖5、圖6為實施例四投影式的平面波導頭盔顯示器示意圖。
【具體實施方式】
[0037]為了使本領域的技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結合附圖和具體實施案例對于本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0038]本發(fā)明提出了一種投影式平面波導頭盔顯示器，包括微型顯示器件1、投影光學系統(tǒng)2、平面波導3和返射型投影屏幕4，所述平面波導3內部設有光學耦入端和光學耦出端；
[0039]所述微型顯示器I發(fā)出的光線經(jīng)過投影光學系統(tǒng)2成像后，透射進入平面波導3的奉禹入端；
[0040]所述光學耦入端將接收到的的光線進行反射，被反射的光線在平面波導3的反射面多次全反射后傳輸至平面波導3的光學耦出端；
[0041]所述光學耦出端將接收到的光線反射至反射型投影屏幕4上；
[0042]所述返射型投影屏幕4將接收到的光線反射，光線原路返回至平面波導3的光學奉禹出端；
[0043]所述反射型投影屏幕4反射回來的光線經(jīng)過平面波導3的光學耦出端透射出平面波導3進入人眼。
[0044]所述微型顯示器件I為LCoS，IXD，OLED, DMD顯示元件，微顯示器件表面可以是平面或者是曲面。
[0045]在本發(fā)明采用平面波導3結構對光路進行限制，消除了傳統(tǒng)頭盔顯示器中直接采用一個半透半反鏡造成的視軸方向的厚度大以及整個頭盔顯示器體積大的問題。
[0046]另一個方面平面波導3的光學耦出端由一系列半透半反鏡組成，整個投影式平面波導頭盔顯示器的出瞳在投影光學系統(tǒng)的出瞳基礎上沿著半透半反鏡的陣列方向進行擴展，使得實際投影式平面波導頭盔顯示器的出瞳大小要大于投影光學系統(tǒng)2的出瞳大小，大大降低投影光學系統(tǒng)2的設計難度，只要半透半反鏡的數(shù)量足夠大就可以無限擴大視場角，但是考慮到半透半反鏡數(shù)量增加，光多次透過半透半反鏡后，攜帶能量迅速降低，一般取3-5片為宜。
[0047]下面針對采用不同的平面波導的投影式平面波導頭盔顯示器列舉實施例進行說明:
[0048]如圖2-6所示，投影式平面波導頭盔顯示器包括微型顯示器件1、投影光學系統(tǒng)2、平面波導3、返射型投影屏幕4，該頭盔顯示器用于頭戴式的目視系統(tǒng)，5為人眼觀察位置。
[0049]實施例一
[0050]如圖2所示，該實施例中的平面波導的結構為矩形波導結構，具體包括光學耦入端101、光學f禹出端102,平面波導的光學f禹入端101為一個反射鏡,平面波導的光學I禹出102為2個以上平行放置的半透半反鏡，半透半反鏡和平面波導反射面夾角大于15ο并且小于 40ο ο
[0051]在實施例一中使用反射鏡保證進入平面波導的光經(jīng)過其反射后滿足光線在平面波導進行全反射的條件，應用反射鏡作為光學耦入端，保證平面波導整體矩形形狀，方便安裝，由微型顯示器I發(fā)出的光線經(jīng)過投影光學系統(tǒng)2的成像后進入平面波導3，然后傳輸至光學耦入端101，光學耦入端101和投影光學系統(tǒng)2配合保證了在平面波導內部發(fā)生全反射，從而使得耦入的加載圖像信息的光波被限制在波導內，平面波導光學耦出端102由一組半透半反的透鏡陣列組成，光波在平面波導中經(jīng)過幾次反射后，光線到達光學耦出端102，在半透半反面上，一部分光反射離開平面波導到達返射型投影屏幕4，一部分光線透射繼續(xù)傳播到達下一個半透半反鏡，在下一個半透半反鏡一部分光繼續(xù)反射離開平面波導到達返射型投影屏幕4，另一部分光繼續(xù)傳輸，直到光波到達光學耦出端104的最后一個半透半反表面，一部分到達返射型投影屏幕4，一部分損失掉。到達返射型投影屏幕4的每一條光線按照原光路返回至平面波導光學耦出端102，這時平面波導光學耦出端102相當于半透半反鏡，回返射的光波進入人眼6，人眼6可以看到微顯示器I顯示的圖像。
[0052]實施例二
[0053]如圖3所示，該實施例中的平面波導3的結構為不規(guī)則結構，光線進入平面波導3進行第一次反射的反射區(qū)域為斜面，該斜面作為平面波導3的光學耦入端201，且該斜面表面鍍有反射膜，斜面需要保證進入平面波導的光經(jīng)過其反射后滿足光線在平面波導進行全反射的條件。使用這種結構形式，減少了系統(tǒng)膠合加工的環(huán)節(jié)，易于加工，光線入射進行平面波導3后到達光學耦入端201后光線進行反射并被限制在平面波導3內傳播，進入平面波導3后的光路與實施例一相同。
[0054]實施例三
[0055]如圖4所示，該實施例中光線進入平面波導3進行第一次反射的反射面為為全息或衍射面，該面作為平面波導3的光學耦入端301，全息或衍射面即涂有光學全息曝光后的感光涂層或是通過光刻技術或者其他技術而形成的可以實現(xiàn)光線偏折的微結構面，使用這種結構作為光學耦入端可以使得光學投影系統(tǒng)進行簡化。光線入射進入平面波導3后到達光學耦入端301后進行反射并被限制在平面波導3內傳播，進入平面波導3后的光路與實施例一相同。
[0056]實施例四
[0057]如圖5和圖6所示的平面波導3包括兩個子平面波導，分別為第二平面波導和第一平面波導，第一平面波導設置第一光學耦入端401，第一平面耦出端402、第二平面波導設置第二光學I禹入端403、第二光學f禹出端404,第一光學I禹出端402和第二光學f禹入端403位置對應，第一光學稱入端401作為平面波導3的光學稱入端,第二光學稱出端403作為平面波導3的光學I禹出端,且第一光學I禹出端402的半透半反鏡陣列和第二光學I禹出端404的半透半反鏡陣列的半透半反鏡的排布的延伸方向相互垂直；[0058]較佳的，本發(fā)明一較佳實施例第一平面波導位于投影光學系統(tǒng)和第二平面波導之間或位于人眼和第二平面波導之間，能夠根據(jù)具體情況進行設置，方便安裝。如圖5和圖6所示，圖5為人眼觀測位置和第一平面波導分別位于第二平面波導兩側的示意圖，圖6為人眼觀測位置和第一平面波導分別位于第二平面波導同側的示意圖。此外，調節(jié)第二光學耦出端404中的半透半反鏡的傾斜方向可以改變人眼觀測的位置。
[0059]該實施例中由微型顯示器I發(fā)出的光線經(jīng)過投影光學系統(tǒng)2成像后進入第一平面波導傳輸至第一平面波導的第一光學耦入端401，第一光學耦入端401將接收到的的光線反射，被反射的光線在平面波導3內全反射至第一平面波導的第一光學耦出端402，到達光學耦出端402，到達第一光學耦出端402的光線反射至第二平面波導的第二光學耦入端403，光線經(jīng)過第二光學耦入端403反射后，進入第二平面波導光中進行傳播，被第二平面波導的反射面多次全反射后到達第二光學耦出端404，第二光學耦出端404將接收到的光線反射至返射型投影屏幕4，到達返射型投影屏幕4的光線被反射并按照原光路返回，返回的光線通過第二光學耦出端404進入人眼。第一光學耦入端401和投影光學系統(tǒng)2配合保證了耦入的加載圖像信息的光波發(fā)生全反射被限制在第一平面波導內傳輸，第一光學耦出端402和第二光學耦入端403位置對應，保證了經(jīng)過第一光學耦出端402反射的光線全部反射至第二光學耦入端403。
[0060]采用兩個子平面波導能夠使得頭盔顯示器的視場角沿著兩個方向擴展，擴展方向分別為兩個子平面波導中的半透半反鏡陣列的延伸方向，即整個投影式平面波導頭盔顯示器的出瞳在投影光學元件的出瞳基礎上沿著水平方向和豎直方向兩個方向上進行擴展，擴大了觀測視場。
[0061]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種投影式平面波導頭盔顯示器，其特征在于，包括微型顯示器件(I)、投影光學系統(tǒng)(2 )、平面波導(3 )和返射型投影屏幕(4)，所述平面波導(3 )內部設有光學耦入端和光學奉禹出端； 所述微型顯示器(I)發(fā)出的光線經(jīng)過投影光學系統(tǒng)(2 )成像后，透射進入平面波導(3 )的光學耦入端； 所述光學耦入端將接收到的光線進行反射，使被反射的光線在平面波導(3)的兩個反射面之間多次全反射后傳輸至平面波導(3)的光學耦出端； 所述光學耦出端將接收到的光線反射至返射型投影屏幕(4)上； 所述返射型投影屏幕(4)將接收到的光線進行反射，使光線原路返回并從平面波導(3)的光學耦出端透射進入人眼。
2.如權利要求1所述的投影式平面波導頭盔顯示器，其特征在于，所述微型顯示器件(I)為 LCoS，LCD，OLED 或 DMD 顯示元件。
3.如權利要求1所述的投影式平面波導頭盔顯示器，其特征在于，所述光學耦出端由2個以上平行放置的半透半反鏡組成。
4.如權利要求3所述的投影式平面波導頭盔顯示器，其特征在于，所述半透半反鏡的數(shù)目為3-5片。
5.如權利要求3所述的投影式平面波導頭盔顯示器，其特征在于，所述半透半反鏡的反射面和平面波導(3)的反射面的夾角大于15ο并且小于40ο。
6.如權利要求3所述的投影式平面波導頭盔顯示器，其特征在于，所述平面波導(3)包括平行放置的兩個子平面波導，分別為第一平面波導和第二平面波導；第一平面波導設置第一光學稱入端(401)和第一光學稱出端(402),第二平面波導設置第二光學稱入端(403)和第二光學I禹出端(404),第一光學f禹出端(402)的半透半反鏡陣列和第二光學率禹出端(404)的半透半反鏡陣列的半透半反鏡的排布的延伸方向相互垂直；第一光學I禹入端(401)作為平面波導(3)的光學耦入端，第二光學耦出端(404)作為平面波導(3)的光學耦出端； 第一光學稱出端(402)和第二光學稱入端(403)位置對應,傳輸至第一平面波導第一光學耦出端(402)的光線被反射至大平面波導的第二光學耦入端(403)，光線經(jīng)過第二光學耦入端(403)反射后，進入第二平面波導中進行傳播，被大平面波導的反射面多次反射后到達第二光學耦出端(404)。
7.如權利要求6所述的投影式平面波導頭盔顯示器，其特征在于，所述小平面波導位于投影光學系統(tǒng)(4)和大平面波導之間或位于人眼和大平面波導之間。
8.如權利要求1所述的投影式平面波導頭盔顯示器，其特征在于，所述光學耦入端采用設置于平面波導(3)內部的反射鏡實現(xiàn)。
9.如權利要求1所述的投影式平面波導頭盔顯示器，其特征在于，所述光學耦入端采用鍍有反射膜的平面波導(3 )傾斜內表面實現(xiàn)。
10.如權利要求1所述的投影式平面波導頭盔顯示器，其特征在于，所述光學耦入端采用全息面或衍射面實現(xiàn)。
【文檔編號】G02B27/01GK103885184SQ201410143847
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權日:2014年4月10日
【發(fā)明者】程德文, 宋維濤, 王涌天, 劉越 申請人:北京理工大學