CN103885184B - 一种投影式平面波导头盔显示器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种投影式平面波导头盔显示器，包括微型显示器件、投影光学系统、平面波导和返射型投影屏幕，平面波导内部设有光学耦入端和光学耦出端，微型显示器发出的光线经过投影光学系统成像后，透射进入平面波导的光学耦入端；光学耦入端将接收到的光线进行反射，使被反射的光线在平面波导的两个反射面之间多次全反射后传输至平面波导的光学耦出端；光学耦出端将接收到的光线反射至返射型投影屏幕上；返射型投影屏幕将接收到的光线进行反射，使光线原路返回并从平面波导的光学耦出端透射进入人眼，使用本发明，能够解决了现有头盔显示器体积大的问题，通过设计不同的结构还能扩大了观测视场，降低了投影光学系统的设计难度。
Description
技术领域
本发明涉及增强现实和虚拟现实领域，具体地涉及一种投影式的平面波导头盔显示器。
背景技术
用于虚拟现实和增强现实的头盔图像显示系统是近些年来显示领域中的热门产品，广泛应用在娱乐、科学研究、医疗、军事、教育等诸多领域，为了生成高沉浸感的图形图像系统，头盔显示装置需要能够提供大视场的景象，同时它也需要结构紧凑、重量轻，以减轻用户颈部的疲劳感。
图1是由J.Fergason提出，后来H.Hua和J.Rolland的一种投影式头盔显示器结构示意图，由微型显示器发出的光线经过投影光学系统的成像后透过人眼前的半透半反镜片反射到返射型投影屏幕，返射型投影屏幕表面由微小角锥棱镜或者微型圆珠构成，对于微小角锥棱镜结构，光线可以在角锥内经过三次反射后沿着原光路的反方向返回，对于微型圆珠，光线进入微型圆珠聚焦到一点，在该点处进行反射，反射后光线沿着原光路的反方向返回。微型显示器件发出的光波按照上述过程经过投影光学系统和半透半反镜片，到达返射型投影屏幕后每一条光线按照原光路返回，又透过半透半反镜片进入人眼，从而使得人眼看到图像。
这种形式结构简单，且能够在一定程度上实现大视场，但是其最大视场受到半透半反镜片的体积严重限制，如果需要获得很大视场角的投影式头盔显示系统，人眼前的半透半反镜的视轴方向的厚度一定很大，这样会增加人眼前光学系统的体积，增加人的不舒适感。
而且这种形式还有一个重要的缺点就是整个头盔显示器相对于人眼的出瞳大小需要等于投影光学系统的出瞳大小，如果投影式头盔显示器的出瞳要求很大，为投影光学系统的设计增加了难度。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种投影式的平面波导头盔显示器，解决了现有头盔显示器体积大的问题。
一种投影式平面波导头盔显示器，包括微型显示器件、投影光学系统、平面波导和返射型投影屏幕，所述平面波导内部设有光学耦入端和光学耦出端；
所述微型显示器发出的光线经过投影光学系统成像后，透射进入平面波导的光学耦入端；
所述光学耦入端将接收到的光线进行反射，使被反射的光线在平面波导的两个反射面之间多次全反射后传输至平面波导的光学耦出端；
所述光学耦出端将接收到的光线反射至返射型投影屏幕上；
所述返射型投影屏幕将接收到的光线进行反射，使光线原路返回并从平面波导的光学耦出端透射进入人眼。
所述微型显示器件为LCoS，LCD，OLED或DMD显示元件。
所述光学耦出端由2个以上平行放置的半透半反镜组成。
所述半透半反镜的数目为3-5片。
所述半透半反镜的反射面和平面波导的反射面的夹角大于15o并且小于40o。
所述平面波导包括平行放置的两个子平面波导，分别为第一平面波导和第二平面波导；第一平面波导设置第一光学耦入端和第一光学耦出端，第二平面波导设置第二光学耦入端和第二光学耦出端，第一光学耦出端的半透半反镜阵列和第二光学耦出端的半透半反镜阵列的半透半反镜的排布的延伸方向相互垂直；第一光学耦入端作为平面波导的光学耦入端，第二光学耦出端作为平面波导的光学耦出端；
第一光学耦出端和第二光学耦入端位置对应，传输至第一平面波导第一光学耦出端的光线被反射至大平面波导的第二光学耦入端，光线经过第二光学耦入端反射后，进入第二平面波导中进行传播，被大平面波导的反射面多次反射后到达第二光学耦出端。
所述小平面波导位于投影光学系统和大平面波导之间或位于人眼和大平面波导之间。
所述光学耦入端采用设置于平面波导内部的反射镜实现。
所述光学耦入端采用镀有反射膜的平面波导倾斜内表面实现。
所述光学耦入端采用全息面或衍射面实现。
有益效果
1.本发明采用平面波导结构对光路进行限制，消除了传统头盔显示器中直接采用一个半透半反镜造成的视轴方向的厚度大以及整个头盔显示器体积大的问题。
2、本发明在平面波导的光学耦出端采用一组2个以上平行放置的半透半反镜阵列，使得头盔显示器的出瞳不局限于投影光学系统的出瞳大小，只要半透半反镜的数量足够大就可以无限扩大视场角，从而降低了投影光学系统的设计难度。
3、本发明一较佳实施例中的光学耦出端的半透半反镜阵列包括3-5片半透半反镜，避免了光多次透过半透半反镜后携带能量迅速降低.
4、本发明中的半透半反镜阵列的反射面和平面波导反射面的夹角大于15o并且小于40o，在这个范围内使得光学耦出端能够有效的保证光学系统的光尽可能多的进入人眼，降低杂散光。
5、本发明一较佳实施例采用两个子平面波导配合能够使得整个投影式平面波导头盔显示器的出瞳在投影光学元件的出瞳基础上沿着水平方向和竖直方向两个方向上进行扩展，扩大了观测视场。
6、本发明一较佳实施例中第一平面波导位于投影光学系统和第二平面波导之间或位于人眼和第二平面波导之间，能够根据具体情况进行设置，方便安装。
7、本发明平面波导的光学耦入端采用一个反射镜保证进入平面波导的光经过其反射后满足光线在平面波导进行全反射的条件，且反射镜能够加工在矩形波导内部，保证了平面波导整体矩形结构，方便安装。
8、本发明一较佳实施例的光线进入平面波导进行第一次反射的反射区域为斜面，该斜面作为平面波导的光学耦入端，且表面镀有反射膜，保证进入平面波导的光经过其反射后满足光线在平面波导进行全反射的条件，使用这种结构，减少了系统胶合加工的环节。
9、本发明一较佳实施例光线进入平面波导进行第一次反射的反射区域为为全息或衍射面，作为平面波导光学耦入端，使用这种结构作为光学耦入端使得光学投影系统进一步简化。
附图说明
图1为现有技术的投影式头盔显示器示意图；
图2为实施例一投影式的平面波导头盔显示器示意图；
图3为实施例二投影式的平面波导头盔显示器示意图；
图4为实施例三投影式的平面波导头盔显示器示意图；
图5、图6为实施例四投影式的平面波导头盔显示器示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施案例对于本发明作进一步的详细说明。
本发明提出了一种投影式平面波导头盔显示器，包括微型显示器件1、投影光学系统2、平面波导3和返射型投影屏幕4，所述平面波导3内部设有光学耦入端和光学耦出端；
所述微型显示器1发出的光线经过投影光学系统2成像后，透射进入平面波导3的耦入端；
所述光学耦入端将接收到的的光线进行反射，被反射的光线在平面波导3的反射面多次全反射后传输至平面波导3的光学耦出端；
所述光学耦出端将接收到的光线反射至反射型投影屏幕4上；
所述返射型投影屏幕4将接收到的光线反射，光线原路返回至平面波导3的光学耦出端；
所述反射型投影屏幕4反射回来的光线经过平面波导3的光学耦出端透射出平面波导3进入人眼。
所述微型显示器件1为LCoS，LCD，OLED，DMD显示元件，微显示器件表面可以是平面或者是曲面。
在本发明采用平面波导3结构对光路进行限制，消除了传统头盔显示器中直接采用一个半透半反镜造成的视轴方向的厚度大以及整个头盔显示器体积大的问题。
另一个方面平面波导3的光学耦出端由一系列半透半反镜组成，整个投影式平面波导头盔显示器的出瞳在投影光学系统的出瞳基础上沿着半透半反镜的阵列方向进行扩展，使得实际投影式平面波导头盔显示器的出瞳大小要大于投影光学系统2的出瞳大小，大大降低投影光学系统2的设计难度，只要半透半反镜的数量足够大就可以无限扩大视场角，但是考虑到半透半反镜数量增加，光多次透过半透半反镜后，携带能量迅速降低，一般取3-5片为宜。
下面针对采用不同的平面波导的投影式平面波导头盔显示器列举实施例进行说明：
如图2-6所示，投影式平面波导头盔显示器包括微型显示器件1、投影光学系统2、平面波导3、返射型投影屏幕4，该头盔显示器用于头戴式的目视系统，5为人眼观察位置。
实施例一
如图2所示，该实施例中的平面波导的结构为矩形波导结构，具体包括光学耦入端101、光学耦出端102，平面波导的光学耦入端101为一个反射镜，平面波导的光学耦出102为2个以上平行放置的半透半反镜，半透半反镜和平面波导反射面夹角大于15o并且小于40o。
在实施例一中使用反射镜保证进入平面波导的光经过其反射后满足光线在平面波导进行全反射的条件，应用反射镜作为光学耦入端，保证平面波导整体矩形形状，方便安装，由微型显示器1发出的光线经过投影光学系统2的成像后进入平面波导3，然后传输至光学耦入端101，光学耦入端101和投影光学系统2配合保证了在平面波导内部发生全反射，从而使得耦入的加载图像信息的光波被限制在波导内，平面波导光学耦出端102由一组半透半反的透镜阵列组成，光波在平面波导中经过几次反射后，光线到达光学耦出端102，在半透半反面上，一部分光反射离开平面波导到达返射型投影屏幕4，一部分光线透射继续传播到达下一个半透半反镜，在下一个半透半反镜一部分光继续反射离开平面波导到达返射型投影屏幕4，另一部分光继续传输，直到光波到达光学耦出端104的最后一个半透半反表面，一部分到达返射型投影屏幕4，一部分损失掉。到达返射型投影屏幕4的每一条光线按照原光路返回至平面波导光学耦出端102，这时平面波导光学耦出端102相当于半透半反镜，回返射的光波进入人眼6，人眼6可以看到微显示器1显示的图像。
实施例二
如图3所示，该实施例中的平面波导3的结构为不规则结构，光线进入平面波导3进行第一次反射的反射区域为斜面，该斜面作为平面波导3的光学耦入端201，且该斜面表面镀有反射膜，斜面需要保证进入平面波导的光经过其反射后满足光线在平面波导进行全反射的条件。使用这种结构形式，减少了系统胶合加工的环节，易于加工，光线入射进行平面波导3后到达光学耦入端201后光线进行反射并被限制在平面波导3内传播，进入平面波导3后的光路与实施例一相同。
实施例三
如图4所示，该实施例中光线进入平面波导3进行第一次反射的反射面为为全息或衍射面，该面作为平面波导3的光学耦入端301，全息或衍射面即涂有光学全息曝光后的感光涂层或是通过光刻技术或者其他技术而形成的可以实现光线偏折的微结构面，使用这种结构作为光学耦入端可以使得光学投影系统进行简化。光线入射进入平面波导3后到达光学耦入端301后进行反射并被限制在平面波导3内传播，进入平面波导3后的光路与实施例一相同。
实施例四
如图5和图6所示的平面波导3包括两个子平面波导，分别为第二平面波导和第一平面波导，第一平面波导设置第一光学耦入端401，第一平面耦出端402、第二平面波导设置第二光学耦入端403、第二光学耦出端404，第一光学耦出端402和第二光学耦入端403位置对应，第一光学耦入端401作为平面波导3的光学耦入端，第二光学耦出端403作为平面波导3的光学耦出端，且第一光学耦出端402的半透半反镜阵列和第二光学耦出端404的半透半反镜阵列的半透半反镜的排布的延伸方向相互垂直；
较佳的，本发明一较佳实施例第一平面波导位于投影光学系统和第二平面波导之间或位于人眼和第二平面波导之间，能够根据具体情况进行设置，方便安装。如图5和图6所示，图5为人眼观测位置和第一平面波导分别位于第二平面波导两侧的示意图，图6为人眼观测位置和第一平面波导分别位于第二平面波导同侧的示意图。此外，调节第二光学耦出端404中的半透半反镜的倾斜方向可以改变人眼观测的位置。
该实施例中由微型显示器1发出的光线经过投影光学系统2成像后进入第一平面波导传输至第一平面波导的第一光学耦入端401，第一光学耦入端401将接收到的的光线反射，被反射的光线在平面波导3内全反射至第一平面波导的第一光学耦出端402，到达光学耦出端402，到达第一光学耦出端402的光线反射至第二平面波导的第二光学耦入端403，光线经过第二光学耦入端403反射后，进入第二平面波导光中进行传播，被第二平面波导的反射面多次全反射后到达第二光学耦出端404，第二光学耦出端404将接收到的光线反射至返射型投影屏幕4，到达返射型投影屏幕4的光线被反射并按照原光路返回，返回的光线通过第二光学耦出端404进入人眼。第一光学耦入端401和投影光学系统2配合保证了耦入的加载图像信息的光波发生全反射被限制在第一平面波导内传输，第一光学耦出端402和第二光学耦入端403位置对应，保证了经过第一光学耦出端402反射的光线全部反射至第二光学耦入端403。
采用两个子平面波导能够使得头盔显示器的视场角沿着两个方向扩展，扩展方向分别为两个子平面波导中的半透半反镜阵列的延伸方向，即整个投影式平面波导头盔显示器的出瞳在投影光学元件的出瞳基础上沿着水平方向和竖直方向两个方向上进行扩展，扩大了观测视场。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种投影式平面波导头盔显示器，其特征在于，包括微型显示器件(1)、投影光学系统(2)、平面波导(3)和返射型投影屏幕(4)，所述平面波导(3)内部设有光学耦入端和光学耦出端；
所述微型显示器件(1)发出的光线经过投影光学系统(2)成像后，透射进入平面波导(3)的光学耦入端；
所述光学耦入端将接收到的光线进行反射，使被反射的光线在平面波导(3)的两个反射面之间多次全反射后传输至平面波导(3)的光学耦出端；
所述光学耦出端将接收到的光线反射至返射型投影屏幕(4)上；
所述返射型投影屏幕(4)将接收到的光线进行反射，使光线原路返回并从平面波导(3)的光学耦出端透射进入人眼；
所述光学耦出端由2个以上平行放置的半透半反镜组成；
所述平面波导(3)包括平行放置的两个子平面波导，分别为第一平面波导和第二平面波导；第一平面波导设置第一光学耦入端(401)和第一光学耦出端(402)，第二平面波导设置第二光学耦入端(403)和第二光学耦出端(404)，第一光学耦出端(402)的半透半反镜阵列和第二光学耦出端(404)的半透半反镜阵列的半透半反镜的排布的延伸方向相互垂直；第一光学耦入端(401)作为平面波导(3)的光学耦入端，第二光学耦出端(404)作为平面波导(3)的光学耦出端；
第一光学耦出端(402)和第二光学耦入端(403)位置对应，传输至第一平面波导第一光学耦出端(402)的光线被反射至大平面波导的第二光学耦入端(403)，光线经过第二光学耦入端(403)反射后，进入第二平面波导中进行传播，被大平面波导的反射面多次反射后到达第二光学耦出端(404)。
2.如权利要求1所述的投影式平面波导头盔显示器，其特征在于，所述微型显示器件(1)为LCoS，LCD，OLED或DMD显示元件。
3.如权利要求1所述的投影式平面波导头盔显示器，其特征在于，所述半透半反镜的数目为3-5片。
4.如权利要求1所述的投影式平面波导头盔显示器，其特征在于，所述半透半反镜的反射面和平面波导(3)的反射面的夹角大于15°并且小于40°。
5.如权利要求1所述的投影式平面波导头盔显示器，其特征在于，所述第一平面波导位于投影光学系统(2)和第二平面波导之间或位于人眼和大平面波导之间。
6.如权利要求1所述的投影式平面波导头盔显示器，其特征在于，所述光学耦入端采用设置于平面波导(3)内部的反射镜实现。
7.如权利要求1所述的投影式平面波导头盔显示器，其特征在于，所述光学耦入端采用镀有反射膜的平面波导(3)倾斜内表面实现。
8.如权利要求1所述的投影式平面波导头盔显示器，其特征在于，所述光学耦入端采用全息面或衍射面实现。
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