CN104216042B - 一种导光结构及头戴式显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导光结构，用于头戴式显示设备的镜片，头戴式显示设备包括光源和图像接收器，导光结构用于将光源发出的光线传播至图像接收器，其特征在于，导光结构包括本体，本体上设有：入射面；与入射面以第一预设角度连接的第一侧面，经由入射面入射的光线首次在第一侧面发生全反射，并以全反射的形式在本体内传播；设置于本体内的光学膜材，光学膜材与第一侧面之间的夹角为第二预设角度，光学膜材将在本体内经奇数次反射传播的光线从第一侧面反射出本体以被图像接收器接收。本发明还提供一种头戴式显示设备。本发明的有益效果是：使得光线经偶数次反射进入图像接收器，使得图像接收器接收的图像与图像源的图像方向一致，且不会减小视场角。

Description

一种导光结构及头戴式显示设备

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种导光结构及头戴式显示设备。

背景技术

在现有光学系统中，经常会利用某种介质对光线进行传播，使图像源发出的光线经过介质传播后在需要显示的地方呈现。

图1是一种靠介质传播光线的光路，光线由空气射入导光结构3后到达全反射面1，经反射后到达导光结构3的一侧表面。由于导光结构3的折射率大于空气，所以当入射光线的角度满足导光结构3的全反射条件时光线会在此面发生全反射。一般的光波导的作用都是对光线起到传播的作用，从一侧进入，经过多次全反射后从另一侧射出，但作为头戴式显示设备的镜片，需要既能看到外界图像又能看到导光结构3传播过来的图像，所以在导光结构3中会引入半反半透性质的膜2。在光线进入波导前由系统内其他放大系统把显示芯片上每个像素上的点发出的光变为一束平行光，此束平行光进入波导中经过几次全反射后到达导光结构3中的半反半透膜2，此时的光线角度被膜2改变，不再满足导光结构3的全反射条件，即从导光结构3中出射进入图像接收器4。从图中可以看出，不论光线在导光结构3中传播多远，光线被反射的次数一定为奇次，即最初发出的图像与最终从导光结构3中发出的图像会是镜像关系。所以这样的系统还需要对图像源或接收器做特殊处理才能实现不影响观察的效果。

图2是另一种介质传播方式。全反射面5的角度满足让入射光线直接反射到半反半透膜6上，半反半透膜6会直接把光线反射出导光结构7进入图像接收器8。这种传播方式使光线偶次反射，图像源与图像接收器8接收到的图像方向一致，但是有效光线及视场角很小。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种导光结构及头戴式显示设备，可以在不影响视场角、且不需要处理即可实现让图像源发出的图像与接收器接收到的图像方向性一致。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种导光结构，用于头戴式显示设备的镜片，所述头戴式显示设备包括光源和图像接收器，所述导光结构用于将光源发出的光线传播至图像接收器，所述导光结构包括本体，所述本体上设有：

入射面；

与所述入射面以第一预设角度连接的第一侧面，经由所述入射面入射的光线首次在所述第一侧面发生全反射，并以全反射的形式在所述本体内传播；

设置于所述本体内的光学膜材，所述光学膜材与所述第一侧面之间的夹角为第二预设角度，所述光学膜材将在所述本体内经奇数次反射传播的光线从所述第一侧面反射出所述本体以被图像接收器接收。

进一步的，所述光学膜材为分光膜，所述分光膜用于将入射角度为第三预设角度的第一光线进行分光，使得第一光线中的部分光线在所述分光膜上发生发射以从所述第一侧面射出所述本体，另一部分光线透过所述分光膜继续以全反射的形式在所述本体内传播；

所述分光膜还用于将入射角度为第四预设角度的第二光线进行分光，使得第二光线全部从所述分光膜中透过并继续以全反射的形式在所述本体内传播。

进一步的，所述分光膜的膜系结构为：G|t₁Lt₂Ht₃Lt₄Ht₅Lt₆Ht₇Lt₈H|A，其中t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、t₇、t₈表示膜厚修正因子，H和L分别代表H4和MgF₂，G为K9基底，A表示入射介质空气。

进一步的，所述第二预设角度为所述第一预设角度的一半，使得从所述入射面垂直入射的头戴式显示设备的主光线经由所述光学膜材反射垂直于所述第一侧面从所述本体射出。

进一步的，根据所述第二预设角度和头戴式显示设备的视场角获得所述第三预设角度为【(α-3β)，90°】或者【(α-β)，90°】，所述第四预设角度为【(3α-β)，90°】或【(180°-3α-β)，90°】，其中所述第二预设角度为α， 所述头戴式显示设备的视场角为β。

进一步的，所述本体内平行设置有多个所述光学膜材。

进一步的，所述入射面设有增透膜，用于增加光线在入射面的反射并增加光线在入射面的透过率。

进一步的，所述本体包括与所述第一侧面相对设置的第二侧面，所述入射面设置于所述第一侧面和所述第二侧面之间，所述第二侧面与所述入射面连接的一端设有与所述第二侧面之间具有第五预设角度的夹角的第一部分，所述第一部分上设有减反射膜用于减少经由所述第一侧面反射后的光线在所述第一部分的反射率。

进一步的，所述第五预设角度与从所述入射面入射的远离头戴式显示设备主光线的边缘光线进入所述本体后和所述第一侧面之间的夹角的角度相同，

其中所述边缘光线与头戴式显示设备的主光线之间的夹角的角度与头戴式显示设备的视场角的角度相同。

本发明还提供一种头戴式显示设备，包括图像接收器、光源和镜片，所述镜片包括上述的导光结构。

本发明的有益效果是：使得光线经偶数次反射进入图像接收器，使得图像接收器接收的图像与图像源的图像方向一致，且不会减小视场角。

附图说明

图1表示现有技术中导光结构示意图；

图2表示现有技术中导光结构示意图；

图3表示本发明实施例中导光结构示意图；

图4表示本发明实施例中光线在导光结构中传播状态示意图；

图5表示本发明实施例导光结构部分放大示意图；

图6表示本发明实施例中光线在导光结果中传播状态示意图；

图7表示图6的部分放大示意图；

图8表示本发明实施例中光线在导光结果中传播状态示意图；

图9表示图8的部分放大示意图；

图10表示本发明实施例分光膜透光率曲线示意图；

图11表示本发明头戴式显示设备主光线、边缘光线从导光结构出射的关系示意图；

图12表示本发明实施例中光线在导光结果中传播状态示意图；

图13表示本发明实施例中光线在导光结果中传播状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的特征和原理进行详细说明，所举实施例仅用于解释本发明，并非以此限定本发明的保护范围。

如图3所示，本实施例提供一种导光结构，用于头戴式显示设备的镜片，所述头戴式显示设备包括光源和图像接收器13，所述导光结构用于将光源发出的光线传播至图像接收器13，所述导光结构包括本体12，所述本体12上设有：

入射面10；

与所述入射面10以第一预设角度连接的第一侧面121，经由所述入射面10入射的光线首次在所述第一侧面121发生全反射，并以全反射的形式在所述本体12内传播；

设置于所述本体12内的光学膜材，所述光学膜材与所述第一侧面121之间的夹角为第二预设角度，所述光学膜材将在所述本体12内经奇数次反射传播的光线从所述第一侧面121反射出所述本体12以被图像接收器13接收。

相对于现有技术，改变了光线的入射方向，光线进入所述本体12内后，首次发生反射是在所述第一侧面121，且是在所述第一侧面121发生全反射，并继续以全反射的方式在所述本体12内传播，为了使得在所述本体12内传播的光线被设置于所述本体12外部的图像接收器13接收，所述本体12内与所述图像接收器13位置相对应的位置设有光学膜材，如图3所示，光学膜材与所述第一侧面121呈一定角度设置，在光线进入导光结构前，头戴式显示设备内其他放大系统把显示芯片上每个像素上的点发出的光变为多束平行光，多束平行光(图3中仅显示出主光束)在所述本体12内传播的光线在所述光学膜材表面发生发射，由于光线角度在此被改变，被光学膜材反射的光线从所述第一侧面121射出所述本体12进入图像接收器13。

由图3可知，由于本实施例改变了光线入射方式，使得光线经偶数次反射后进入图像接收器13，使得图像接收器13接收的图像与图像源的图像显示方向一致，且相对于现有技术，本实施例导光结构不会减小进入图像接收器13的有效光线和头戴式显示设备的视场角。

由于本实施例导光结构用于头戴式显示设备的镜片，需要既能看到外界图像又能看到导光结构传播过来的图像，所以光线不但在所述光学膜材发生发射还有有一部分光需要透过所述光学膜材继续传播，所以所述光学膜材可以为半反半透膜，但是由于存在多个角度的光束进入到导光结构本体12中，如图4中虚线所示光线从下往上传播时(即从第一侧面反射后向所述光学膜材传播)与所述光学膜材相交，反射出所述本体12的光线属于正常有效光线，但是当虚线所示光线透过所述光学膜材经所述本体12的上表面(第二侧面)全反射再次到达所述光学膜材时，光线与所述光学膜材的夹角发生变化，此时光线在所述光学膜材表面发生反射，相当于虚线所示光线的光路被改变为另一个角度，成为杂散光。所以需要光学膜材具有不反射只透过的性质以避免杂散光的产生，所以本实施例中所述光学膜材优选为分光膜。

所述光学膜材为分光膜，所述分光膜用于将入射角度为第三预设角度的第一光线进行分光，使得第一光线中的部分光线在所述分光膜上发生发射以从所述第一侧面121射出所述本体12，另一部分光线透过所述分光膜继续以全反射的形式在所述本体12内传播；

所述分光膜还用于将入射角度为第四预设角度的第二光线进行分光，使得第二光线全部从所述分光膜中透过并继续以全反射的形式在所述本体12内传播。

本实施例导光结构的设置使得头戴式显示设备的出瞳只有所述光学膜材上可反射的区域的大小，为了增大头戴式显示设备的出瞳，本实施例中，在所述本体12内平行设置有多个所述光学膜材，由于多个光学膜材时平行设置的，即每个所述光学膜材与所述第一侧面121的夹角形同，且光线入射角度没有改变，所以透过所述光学膜材的光线传播到后边的光学膜材反射出来的光与第一次被光学膜材反射出来的光平行，也就是说进到所述本体12中的平行光经过全反射及在所述光学膜材表面发生反射后，最终出来的还是平行光，这样不仅 不会影响成像反而会提高光能利用率。

所述分光膜的数量的设置可以根据实际需要决定，本实施例中采用3个分光膜平行设置与所述本体12内。

由于头戴式显示设备属目视系统，所以显示芯片(光源，图中未示)发出的进入导光结构的光线为可见光波段，一般为450～650nm，采用分光膜对不同入射角的光线分光，一般对所有极性的光做到这点很难，所以我们选择对可见光中的P极性光进行分光。由于从导光结构中出射的同一角度的光线进入人眼后会汇聚于一点成像，所以不存在同一光束从第一个分光膜被反射出和被第二个分光膜反射出的均匀性问题，比如这条光线经第一个分光膜后有60％被反射出，40％继续原方向传播，第二个分光膜把这40％的光的60％反射出，即反射出24％，虽然从第一个分光膜出射的光比第二个分光膜出射的光强，但两束光来自于统一点，最终也汇聚于一点，所以不存在均匀性问题。

本实施例分光膜透光率曲线如图10所示，0°入射时，P光平均透过率T＝60.2％；45°入射时，P光平均透过率T＝70.8％；70°入射时，P光平均透过率T＝98.4％；75°入射时，P光平均透过率T＝96.2％。

优选的，所述分光膜的膜系结构为：G|t₁Lt₂Ht₃Lt₄Ht₅Lt₆Ht₇Lt₈H|A，其中t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、t₇、t₈表示膜厚修正因子，H和L分别代表H4和MgF₂，G为K9基底，A表示入射介质空气。

由于分光膜对光谱曲线平滑度要求较高，所以在设计膜系时为了减少镀制过程中的累计误差，膜层数要尽量少。设初始膜系结构为G|LHLHLHLH|A，其中H和L分别代表H4和MgF₂，G为K9基底，A表示入射介质空气，借助Macleod软件，用Needle Synthesis、Optimac优化方法对基础膜系进行优化。根据设计及指标精度的要求，对优化目标赋予不同的权重因子，经多次优化，得到8层膜系设计方案，G|t₁Lt₂Ht₃Lt₄Ht₅Lt₆Ht₇Lt₈H|A，其中t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、t₇、t₈表示膜厚修正因子。本实施例中分光膜镀制的工艺参数如下表所示：

优选的，所述第二预设角度为所述第一预设角度的一半，使得从所述入射面10垂直入射的头戴式显示设备的主光线2经由所述光学膜材反射垂直于所述第一侧面121从所述本体12射出。

本实施例中所述第二预设角度的计算过程如下：

如图4、图5所示，

e＝c+b (1)；

e+α＝90° (2)；

由于主光线2垂直于入射面10进入所述本体12内，所以b＝90°-x (3)；

由于主光线2垂直于所述第一侧面121出射，所以b+2c＝90° (4)；

所以由(3)、(4)得出：c＝x/2 (5)；

所以由(1)、(2)、(3)和(5)得出：α＝x/2 (6)。

其中，x为所述第一预设角度，α为所述第二预设角度。

优选的，本实施例中，根据所述第二预设角度和头戴式显示设备的视场角获得所述第三预设角度为【(α-3β)，90°】或者【(α-β)，90°】，所述第四预设角度为【(3α-β)，90°】或【(180°-3α-β)，90°】，其中所述第二预设角度为α，所述头戴式显示设备的视场角为β。

本实施例中，所述第四预设角度的计算过程如下：

由图4、图6和图7所示，

a+h＝α (7)；

由于头戴式显示设备的视场角为β，所以位于头戴式显示设备主光线2两侧的的第一边缘光线3和第二边缘光线1与主光线2之间的夹角均为β，所以h+β＝b (8)；

由(3)、(6)、(7)、(8)得出：a＝β-90°+3α (9)；

由(9)得出第一边缘光线3相对于分光膜的入射角为90°-a＝180°-3α-β；

由图8和图9所示，

g＝b+β (10)；

g＝θ+α (11)；

由(3)、(10)、(11)得出θ＝β+(90°-3α) (12)；

由(12)得出第二边缘光线1相对于分光膜的入射角为90°-θ＝3α-β；

综上所述，当0＜α＜30°时，(180°-3α-β)-(3α-β)＞0，,此时严格要求只透不反的入射角度区域为(180°-3α-β)到90°；

当30＜α＜45时，(180°-3α-β)-(3α-β)＜0，此时严格要求只透不反的入射角度区域为(3α-β)到90°。

本实施例中，所述第三预设角度的计算过程如下：

如图11所示，由于头戴式显示设备的视场角为β，主光线2垂直所述第一侧面121出射，所以第一边缘光线3作为头戴式显示设备的边缘光线经所述分光膜反射后的光线与主光线2经所述分光膜反射后的光线之间的夹角为-β，所以第二边缘光线1作为头戴式显示设备的边缘光线经所述分光膜反射后的光线与主光线2经所述分光膜反射后的光线之间的夹角为β，由图11可知：j＝90°-(-β) (13)；

j＝α+k (14)；

由(13)、(14)获得k＝90°+β-α (15)；

则得出第一边缘光线3相对于分光膜的入射角为90°-k＝α-β；

由图11可知：w＝90°-β＝L+g (16)；

由(15)得出第二边缘光线1相对于分光膜的入射角为：90-k-2β＝α-3β；

综上所述，当0＜α＜30°时，在所述分光膜上进行半反半透的光线的入射角度，即所述第三预设角度为【(α-3β)，90°】；

当30＜α＜45时，在所述分光膜上进行半反半透的光线的入射角度，即所述第三预设角度为【(α-β)，90°】。

优选的，所述入射面10设有增透膜，用于增加光线在入射面10的反射并增加光线在入射面10的透过率。

优选的，所述本体12包括与所述第一侧面121相对设置的第二侧面122，所述入射面10设置于所述第一侧面121和所述第二侧面122之间，所述第二侧面122与所述入射面10连接的一端设有与所述第二侧面122之间具有第五预设角度的夹角的第一部分9，所述第一部分9上设有减反射膜用于减少经由所述第一侧面121反射后的光线在所述第一部分9的反射率。

所述第五预设角度与从所述入射面10入射的远离头戴式显示设备主光线的边缘光线进入所述本体12后和所述第一侧面121之间的夹角的角度相同，本实施例中，第五预设角度Y与第二边缘光线1进入所述本体12后和所述第一侧面121之间的夹角g的角度相同。

其中所述第二边缘光线1与头戴式显示设备的主光线2之间的夹角与头戴式显示设备的视场角β的角度相同。

所以由图4至图9所示，第五预设角度Y＝g＝b+β＝90°-x+β。

图12表示的是本实施例导光结构自带的光阑作用。图中的虚线所示光线和实线所示光线分别代表图像源发出图像的两个对称视场，两视场相对于与入射面10垂直入射的光线对称，可认为是能够进入到所述本体12的最大视场光线。

其中虚线所示的光线的角度与所述第五预设角度相同，沿此角度入射进入所述本体12内的光线恰好满足在所述第一侧面121发生全反射的条件，所以小于此角度的不满足全反射条件的光线从所述第一侧面121出射。虚线所示光线从所述入射面10入射时，虚线所示光线全面覆盖于所述入射面10，虚线所示光线中存在部分光线(即图12中所示从所述入射面10上的m区域入射的光线)首次在第一侧面发生全反射后，由于所述第一部分9的设置以及该部分光线在所述第一侧面发生反射的位置使得该部分光线经所述第一侧面全反射后传播至所述第一部分9，而不会直接传播至所述第二侧面，该部分光线经第一部分9反射后会形成杂散光，为了减少甚至避免该部分光线形成的杂散光的产生，所述第一部分9上设置有减反射膜，该部分光线(从入射面10上m区域入射的光线)第一次到达所述第一侧面121时会发生全反射，但反射后会打到所述第一部分9的所述减反射膜上被吸收，不会参与后续的成像。

实线所示光线从所述入射面10入射时，实线所示光线全面覆盖于所述入射面10，实线所示光线中存在部分光线(即图12中所示，从入射面10上的n区域入射的光线)由于所述第一部分9的设置以及该部分光线的入射位置使得该部分光线在从所述入射面10入射后直接传播至所述第一部分9，而不会直接传播至所述第一侧面，该部分光线经所述第一部分9反射后会形成杂散光，为了减少甚至避免该部分光线形成的杂散光的产生，所述第一部分9上设置有 减反射膜，该部分光线(从入射面10上的n区域入射的光线)直接打到所述第一部分9的减反射膜上被吸收，同样不会参与后续的成像。

所述入射面10上设置增透膜，减少入射光线在所述入射面的反射率，增大入射光线在所述入射面10的透过率，所以镀减反射膜的第一部分9和镀增透膜的入射面10均起到对进入所述本体12的光线进行筛选的作用，即光阑作用。

本实施例中图像接收器13的光轴与导光结构的第一侧面121垂直，图像接收器13的光轴也可以与导光结构的第一侧面121不垂直，此时，需要使得出射光线与图中虚线所示传播的光线有一定夹角，则需要改变进入导光结构的光线的入射角度，此时为了满足头戴式显示设备光源发出的主光线垂直入射面10入射，且主光线进入所述导光结构本体12后以全反射的形式在所述本体12内传播，则入射面10与所述第一侧面121之间的第一预设角度也要发生改变，例如，入射面10的位置变化为图13中虚线14所示位置。图像源的视场角不变，与入射面10共同起光阑作用的减反射面的角度是由入射光线决定，即第一部分9与第二侧面122之间的夹角的角度由头戴式显示设备的边缘光线的入射角度决定的，边缘光线入射角度改变，减反射面的角度即第一部分9的角度也要随之相应的改变。

本发明还提供一种头戴式显示设备，包括图像接收器13、光源和镜片，所述镜片包括上述的导光结构。

以上所述为本发明较佳实施例，应当指出的是，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围。

Claims (8)

1.一种导光结构，用于头戴式显示设备的镜片，所述头戴式显示设备包括光源和图像接收器，所述导光结构用于将光源发出的光线传播至图像接收器，其特征在于，所述导光结构包括本体，所述本体上设有：

入射面；

与所述入射面以第一预设角度连接的第一侧面，经由所述入射面入射的光线首次在所述第一侧面发生全反射，并以全反射的形式在所述本体内传播；

设置于所述本体内的光学膜材，所述光学膜材与所述第一侧面之间的夹角为第二预设角度，所述光学膜材将在所述本体内经奇数次反射传播的光线从所述第一侧面反射出所述本体以被图像接收器接收；

所述本体包括与所述第一侧面相对设置的第二侧面，所述入射面设置于所述第一侧面和所述第二侧面之间，所述第二侧面与所述入射面连接的一端设有与所述第二侧面之间具有第五预设角度的夹角的第一部分，所述第一部分上设有减反射膜，用于减少经由所述第一侧面反射后的光线在所述第一部分的反射率；

所述第五预设角度与从所述入射面入射的远离头戴式显示设备主光线的边缘光线进入所述本体后和所述第一侧面之间的夹角的角度相同，

其中所述边缘光线与头戴式显示设备的主光线之间的夹角的角度与头戴式显示设备的视场角相同。

2.根据权利要求1所述的导光结构，其特征在于，所述光学膜材为分光膜，所述分光膜用于将入射角度为第三预设角度的第一光线进行分光，使得第一光线中的部分光线在所述分光膜上发生发射以从所述第一侧面射出所述本体，另一部分光线透过所述分光膜继续以全反射的形式在所述本体内传播；

所述分光膜还用于将入射角度为第四预设角度的第二光线进行分光，使得第二光线全部从所述分光膜中透过并继续以全反射的形式在所述本体内传播。

3.根据权利要求2所述的导光结构，其特征在于，所述分光膜的膜系结构为：G|t₁Lt₂Ht₃Lt₄Ht₅Lt₆Ht₇Lt₈H|A，其中t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、t₇、t₈表示膜厚修正因子，H和L分别代表H4和MgF₂，G为K9基底，A表示入射介质空气。

4.根据权利要求2所述的导光结构，其特征在于，所述第二预设角度为所述第一预设角度的一半，使得从所述入射面垂直入射的头戴式显示设备的主光线经由所述光学膜材反射垂直于所述第一侧面从所述本体射出。

5.根据权利要求4所述的导光结构，其特征在于，根据所述第二预设角度和头戴式显示设备的视场角获得所述第三预设角度为【(α-3β)，90°】或者【(α-β)，90°】，所述第四预设角度为【(3α-β)，90°】或【(180°-3α-β)，90°】，其中所述第二预设角度为α，所述头戴式显示设备的视场角为β。

6.根据权利要求5所述的导光结构，其特征在于，所述本体内平行设置有多个所述光学膜材。

7.根据权利要求1所述的导光结构，其特征在于，所述入射面设有增透膜，用于增加光线在入射面的反射并增加光线在入射面的透过率。

8.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括图像接收器、光源和镜片，所述镜片包括权利要求1-7任一项所述的导光结构。