CN104216120B - 半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统 - Google Patents

Abstract

半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统，属于光学系统和器件设计领域，为了解决头戴显示器大出瞳、轻小型化之间的矛盾，该光学系统中垂直扩展波导和水平扩展波导由等间距或者变间距排布半透膜倾斜地内嵌于基底构成；垂直扩展波导与水平扩展波导两者相互垂直紧密贴合，垂直扩展波导的中心与全反射镜的中心沿竖直方向保持对准；目镜系统位于微显示屏和垂直扩展波导之间，其出瞳平面位于垂直扩展波导内部；微显示屏的线视场分布的发散光通过目镜系统后变为角视场分布的平行光，各角视场平行光先后经过垂直扩展波导和水平扩展波导扩展后形成二维分布的扩展出瞳阵列，当眼瞳与系统出瞳平面重合并落在出瞳阵列以内即可获得微显示屏上的显示信息。

Description

半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统

技术领域

本发明涉及一种半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统，属于光学系统和器件设计领域，可以用作头戴显示设备的目视光学系统。

背景技术

头戴显示器(Head-Mounted Display，HMD)以其沉浸性、交互性以及可提高势态感知等特点，在军事、工业设计与制造、医疗及娱乐等虚拟现实和增强现实领域得到了广泛应用。随着微显示器技术、光学加工技术以及光学设计理论的日益成熟，HMD正朝着轻小型化方向发展。

鉴于头部佩戴的特殊要求，现有的透射型HMD通常采用离轴折反中继结构以获得大出瞳，离轴反射组合镜的使用增大了系统离轴像差的矫正难度，组合镜与中继系统的结合限制了透镜尺寸导致系统很难减小体积和重量。光波导装置可将目镜产生的平行光进行传输和扩展以供人眼观察，能够极大程度减小目镜的体积和重量，为HMD的轻小型化设计提供了一种新途径。目前，用于HMD的波导技术主要分为全息波导和半透膜阵列波导两类。半透膜阵列波导利用半透膜的折射和反射实现目镜出瞳的扩展，色散小容易实现彩色显示，通过合理结构设计能够有效抑制杂光并获得满意的像质，其制作工艺相对简单具有独特的竞争力，但是难以实现目镜出瞳光束的有效二维扩展；全息波导将衍射光栅组合使用，对目镜的出瞳光束进行扩展从而获得较大的出瞳，但系统光能利用率低、加工难度大，衍射引入的杂光和色散严重且矫正方法复杂。

发明内容

本发明为克服现有技术的上述不足，解决头戴显示器大出瞳、轻小型化之间的矛盾，提出一种半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统，通过二维波导装置进行出瞳扩展，在获得大出瞳的同时减小了系统尺寸和重量。

半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统，该光学系统包括微显示屏、目镜系统、垂直扩展波导和水平扩展波导；

所述垂直扩展波导和水平扩展波导均由等间距或者变间距排布半透膜倾斜地内嵌于基底构成；所述垂直扩展波导与水平扩展波导两者相互垂直紧密贴合，垂直扩展波导的中心与水平扩展波导中的全反射镜的中心沿竖直方向保持对准；

所述目镜系统位于微显示屏和垂直扩展波导之间，其出瞳平面位于垂直扩展波导内部；所述目镜系统至少包含一个透射元件，且各元件同轴放置；

所述微显示屏的线视场分布的发散光通过目镜系统后变为角视场分布的平行光，各角视场平行光先后经过垂直扩展波导和水平扩展波导扩展后形成二维分布的扩展出瞳阵列，当观察者眼瞳与系统出瞳平面重合并落在出瞳阵列以内即可获得微显示屏上的显示信息；

目镜系统中双凸透镜、第一正弯月形透镜、双凹透镜、第二正弯月形透镜和负弯月形透镜依次同轴设置，其中第二正弯月形透镜和负弯月形透镜构成双胶合透镜，系统各透镜前后表面均为标准球面。

本发明的有益效果：本发明提供了一种大出瞳、小尺寸、像质良好的平板波导型头戴显示器光学系统，可用眼镜架或者头盔作为系统支架，适用于沉浸式显示系统或者双通道显示系统。

附图说明

图1是本发明半透膜阵列平板波导式HMD光学系统的结构示意图。

图2是本发明半透膜阵列平板波导式HMD光学系统的二维结构截面图。

图3是本发明半透膜阵列平板波导式HMD光学系统所述垂直扩展波导3的二维截面示意图。

图4是本发明半透膜阵列平板波导式HMD光学系统所述目镜系统的畸变(a)和场曲(b)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1至图3所示，本发明半透膜阵列平板波导式HMD光学系统包括微显示屏1、目镜系统2、垂直扩展波导3和水平扩展波导4。微显示屏1上各像素点出射的发散光锥经目镜系统2准直后，某一视场对应的平行光束首先入射垂直扩展波导3，依次经过半透膜阵列I31和半透膜阵列II32多次反射、透射后沿x方向形成一列扩展光束，从而实现该方向的出瞳光束扩展；然后，扩展光束由全反射镜41导入水平扩展波导4，当光束在平板基底40内表面反射时满足全反射条件因而被约束在平板基底中向前传播，经半透膜阵列42多次反射、透射光束在z方向也得到了扩展，但反射光因不再满足全反射条件而从基底40一侧透射输出；至此，在基底40外的系统出瞳平面6便得到了二维扩展的阵列光束。由不同视场阵列光束的重叠区域构成HMD系统的出瞳，当用户眼瞳5落在系统出瞳区域以内即可获得微显示屏1上的显示图像。

目镜系统2包括沿光轴依次排列的双凸透镜21、第一正弯月形透镜22、双凹透镜23、第二正弯月形透镜24和负弯月形透镜25，其中第二正弯月形透镜24和负弯月形透镜25构成双胶合透镜，系统各透镜前后表面均为标准球面，面形参数如表1所示。目镜系统2设计中为方便进行成像质量的评价采用了所谓的反向光线追迹方法，即从目镜的出瞳平面向微显示屏进行追迹。为进一步减少目镜系统2元件数目控制系统结构，通过采用更加复杂的面型，例如非球面、自由曲面和二元光学面等可做出进一步简化。

表1

所述垂直扩展波导3包括条形基底30和内嵌于条形基底30的半透膜阵列I31和半透膜阵列II32。条形基底30构成垂直扩展波导3的边界，半透膜阵列I31由五个互相平行且大小相等的半透膜构成，在第二半透膜312、第三半透膜313、第四半透膜314和第五半透膜315中相邻半透膜间距相等，且该间距小于半透膜第一半透膜311与第二半透膜312的间距。半透膜阵列II32由四个互相平行且大小相等的半透膜构成，在半透膜二322、半透膜三323和半透膜四324中相邻半透膜间距相等，且该间距小于半透膜一321与半透膜二322的间距。半透膜阵列I31和半透膜阵列II32的各个表面与条形基底30的工作面之间呈45°夹角，这两组半透膜阵列在条形基底30中的倾斜方向关于y-o-z坐标平面镜像对称。为了充分减小扩展光斑在全反射镜41上的尺寸，第二半透膜312与半透膜一321的中心沿y方向精确对准，半透膜阵列I31的顶部与半透膜阵列II32的底部重合，入射光束101首先经过第一半透膜311全反射后向第二半透膜312传播，第二半透膜312将入射光束分成两路：一路光束被反射到半透膜一321并顺次通过半透膜二322、半透膜三323和半透膜四324，被扩展成四束平行光，另一路光束顺次通过第三半透膜313、第四半透膜314和第五半透膜315，被扩展成三束平行光。由于光束被垂直扩展波导3分成了七份，为使光束经扩展后光斑辐照度均匀，通过简单计算可知半透膜一321、半透膜二322、半透膜三323和半透膜四324的反射率应该依次满足1/4、1/3、1/2和1，第一半透膜311、第二半透膜312、第三半透膜313、第四半透膜314和第五半透膜315的反射率应该依次满足1、4/7、1/3、1/2和1，当半透膜的数目发生变化时光束被分割的数目也会相应发生变化，但反射率也应满足类似的分布规律。此外，垂直扩展波导3选择高折射率材料，例如条形波导材料为ZF7，以压缩视场进而缩小全反射镜上的光斑尺寸，从而减小水平基底的厚度，有利于控制最终出瞳光斑的间隙大小并减轻水平波导重量。

所述水平扩展波导4包括平板基底40和内嵌于平板基底40的全反射镜41和半透膜阵列42。平板基底40中互相平行的上下表面构成其工作面。垂直扩展波导3与水平扩展波导4在靠近全反射镜一侧互相垂直紧密胶合，使垂直扩展波导3的中心与全反射镜41的中心沿着y方向保持对准。全反射镜41置于平板基底40内部并与其工作面夹角为α₁，适当选择夹角α₁以保证入射平行光束能够被全反射镜41无遮挡的反射。半透膜阵列42由六个互相平行的半透膜等间距排布构成，半透膜I421、半透膜II422、半透膜III423、半透膜IV424、半透膜V425和半透膜VI426的表面与平板基底40的工作面之间的夹角为α₂，经全反射镜41反射后的各视场光束在平板基底40的工作面上发生反射时应该满足全反射条件。目镜各视场平行光在平板基底40工作面上的入射方向和出射方向互相平行或关于其工作面的法线方向对称，可保证不同视场平行光汇聚形成扩展出瞳，相应的几何关系要求α₁、α₂互为余角或相等(本实施例两者取值均为30°)。为使光束经过水平扩展波导4扩展后光斑福照度均匀，半透膜I421、半透膜II422、半透膜III423、半透膜IV424、半透膜V425和半透膜VI426的反射率应该依次满足1/7、1/6、1/5、1/4、1/3和1/2，并且针对大角度入射的光束需要特殊的膜系设计使其反射率几乎为零从而消除杂光反射，本实施例中为简单起见，入射角大于50°时半透膜I421、半透膜II422、半透膜III423、半透膜IV424、半透膜V425和半透膜VI426的反射率取值均为零。此外，扩展波导4对入射的各视场平行光满足全反射条件时，可选择折射率和密度都相对较小的材料(例如BK7)以充分减小系统重量。

下面对结构参数之间约束关系进行描述：

x方向视场的光束在水平扩展波4中传播时，轴外视场的扩展光束沿x方向产生偏移，偏移量随视场和传输距离的增大而增大。通过求解出瞳平面处边缘视场与轴上视场的重叠区域可得到系统x方向半视场满足

${\mathrm{\ω}}^x=arctan\left(\frac{D^x-{d_{eye}}^x}{2R+2L/n\cos \mathrm{\θ}}\right),---\left(1\right)$

其中，d_eye ^x为系统x方向经扩展后的出瞳直径，D^x＝D₁+D₂为垂直扩展波导3的长度，n为波导材料折射率，R为出瞳距，L为全反射镜41与半透膜阵列42中心的间距，θ为视场角(ω^x,0)所对应的光束经平板基底40折射后与平板基地40的工作面夹角。光束在水平扩展波4内表面反射时应该满足全反射条件，即

θ≤90°-arcsin(n^-1)， (2)

在满足方程(2)的基础上，z方向视场主要受到半透膜阵列42的分布区域大小的限制，z方向半视场为

${\mathrm{\ω}}^z=arctan\left(\frac{{\mathrm{Nd}}_0-{d_{eye}}^z}{2R}\right),---\left(3\right)$

其中N为半透膜阵列42中半透膜的个数，d₀为半透膜沿着z方向的间距，d_eye ^z为系统在z方向的扩展出瞳直径。

目镜系统2的出瞳是其各视场平行光束的汇聚平面，在出瞳之前各视场光束整体呈汇聚形式，光斑范围随传输距离增大逐渐减小，之后光束呈发散形式，光斑范围随传输距离增大又逐渐增大。经过垂直扩展波导3扩展后的出瞳靠近全反射镜的中心位置时可充分利用水平基底的厚度，这要求全反射镜上两端的光斑大小相等，在条形基底30内部，只需目镜出瞳平面相距第一半透膜311中心距离为H₂+(H₀+3H₁+D₁)/2即可满足要求,其中H₀为水平基底40的厚度，H₁为半透膜阵列I31的高度，D₁为第二半透膜312与第五半透膜315的间距，H₂为半透膜阵列II32的高度。根据光束在目镜出瞳两侧的传输特点可以得到H₁和H₂满足方程

$H_1=\frac{d_{exp}+(D_1+H_0+2H_2){{\mathrm{tan\θ}}_{in}}^x}{1-4{{\mathrm{tan\θ}}_{in}}^x},---\left(4\right)$

$H_2=\frac{d_{\exp }+(D_2+H_0){{\mathrm{tan\θ}}_{in}}^x}{1-2{{\mathrm{tan\θ}}_{in}}^x}.---\left(5\right)$

其中d_exp为目镜出瞳直径，D₂半透膜二321与半透膜四324的间距，θ_in ^x为边缘视场(ω^x,0)所对应的光束在波导内的折射角。考虑平板波导结构参数之间的约束特性，其视场受到诸多因素的限制，设计中需要根据各参数的实际使用要求进行权衡；另外，由于波导系统可看作反射式无焦光学系统，只要目镜的单色像差及色差矫正良好，无需考虑波导本身引入的像差。本实施例中选择微显示屏1的图像分辨率为800×600pixels，像素尺寸为12.6μm；水平扩展波导3结构尺寸为50mm×35mm×1.9mm，垂直扩展波导4结构尺寸为35mm×8.9mm×5.9mm，波导系统质量约29.2g；目镜系统2的视场2ω^z×2ω^x为20°×15°，出瞳为2.4mm，F/#为11.8，畸变和点斑RMS如图4(a)、(b)所示。目镜质量仅6.8g，畸变小于0.13％，点斑RMS小于3.75μm，波像差RMS小于0.045λ，MTF在奈奎斯特频率40lp/mm处大于0.58。

另外，该系统还可将显示器图像叠加到外部景物之上，这是由于水平基底中的半透膜阵列对于外界环境光而言可视为半透明，其半透膜只针对特定设计角度范围的光束进行反射分光，并且该角度范围内的光束在基底中满足全反射条件；从空气向平板基底入射的环境光其折射角必然小于全反射临界角，该光束经过半透膜时大部分发生透射直接从基底另一侧输出，小部分光束经半透膜反射后从基底的入射端输出，相当于环境光有所衰减的透过平板基底。可见，水平基底中半透膜的存在并不影响外部环境光的透射方向，只是强度有所衰减，因而可实现双通道显示。

Claims (3)

1.半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统，其特征在于，该光学系统包括微显示屏(1)、目镜系统(2)、垂直扩展波导(3)和水平扩展波导(4)；

所述垂直扩展波导(3)和水平扩展波导(4)均由等间距或者变间距排布半透膜倾斜地内嵌于基底构成；所述垂直扩展波导(3)与水平扩展波导(4)两者相互垂直紧密贴合，垂直扩展波导(3)的中心与水平扩展波导(4)中的全反射镜(41)的中心沿竖直方向保持对准；

所述目镜系统(2)位于微显示屏(1)和垂直扩展波导(3)之间，其出瞳平面位于垂直扩展波导(3)内部；所述目镜系统(2)至少包含一个透射元件，且各元件同轴放置；

所述微显示屏(1)的线视场分布的发散光通过目镜系统(2)后变为角视场分布的平行光，各角视场平行光先后经过垂直扩展波导(3)和水平扩展波导(4)扩展后形成二维分布的扩展出瞳阵列，当观察者眼瞳(5)与系统出瞳平面(6)重合并落在出瞳阵列以内即可获得微显示屏(1)上的显示信息；

目镜系统(2)中双凸透镜(21)、第一正弯月形透镜(22)、双凹透镜(23)、第二正弯月形透镜(24)和负弯月形透镜(25)依次同轴设置，其中第二正弯月形透镜(24)和负弯月形透镜(25)构成双胶合透镜，系统各透镜前后表面均为标准球面。

2.根据权利要求1所述的半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统，其特征在于，所述垂直扩展波导(3)包括条形基底(30)、内嵌于条形基底(30)的半透膜阵列I(31)和半透膜阵列II(32)；半透膜阵列I(31)由五个互相平行且大小相等的半透膜构成，在第二半透膜(312)、第三半透膜(313)、第四半透膜(314)和第五半透膜(315)中相邻半透膜间距相等，且该间距小于半透膜第一半透膜(311)与第二半透膜(312)的间距；半透膜阵列II(32)由四个互相平行且大小相等的半透膜构成，在半透膜二(322)、半透膜三(323)和半透膜四(324)中相邻半透膜间距相等，且该间距小于半透膜一(321)与半透膜二(322)的间距；第二半透膜(312)与半透膜一(321)的中心沿y方向精确对准；半透膜阵列I(31)的和半透膜阵列II(32)的各个表面与条形基底(30)的表面之间呈特定夹角，且该夹角相等；半透膜阵列I(31)的顶部和半透膜阵列II(32)的底部重合，并且二者的倾斜方向关于y-o-z坐标平面镜像对称。

3.根据权利要求1所述的半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统，其特征在于，所述水平扩展波导(4)包括平板基底(40)和内嵌于平板基底(40)的全反射镜(41)和半透膜阵列(42)；平板基底(40)中互相平行的上下表面构成其工作面；全反射镜(41)与平板基底(40)的工作面之间的夹角应保证入射平行光束能够被全反射镜(41)无遮挡的反射；半透膜阵列(42)由六个互相平行的半透膜等间距排布构成，半透膜I(421)、半透膜II(422)、半透膜III(423)、半透膜IV(424)、半透膜V(425)和半透膜VI(426)的表面与平板基底(40)的工作面之间呈特定夹角；经全反射镜(41)反射后的各视场光束在平板基底(40)的工作面上发生反射时满足全反射条件。