CN105929545B - 波导式的头戴显示器的光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导式的头戴显示器的光学装置，其至少包括显示装置和光学波导片，光学波导片靠近耳朵一侧的侧端部位设有光线耦合输入结构，光线耦合输入结构与显示装置相对设置，光学波导片的至少一个侧面设有光学反射面，光学波导片的外侧面设有锯齿形V槽状的微结构阵列面，锯齿形V槽状的微结构阵列面能够将传输过来的光线进行一个特定角度的反射偏转，偏转后的光线透过光学波导片输出，最后进入人眼中，在人眼正前方远处呈现一个放大的虚像，光线在其上的反射仅仅是一次反射，其反射的光线是有序的，其依次将传导图像的光束反射输出至人眼中，锯齿之间不会遗漏某些像素的光线，其可耦合输出完整的图像，传输过程中图像的像素不会被打乱。

Description

波导式的头戴显示器的光学装置

技术领域

本发明涉及显示设备技术领域，更具体地说，是涉及一种波导式的头戴显示器的光学装置。

背景技术

随着VR(虚拟现实)以及AR(增强现实)显示技术在娱乐、医疗、工业、和军事领域的快速发展及普及，波导式的头戴显示器由于其光学波导片较薄(其厚度可以做得和普通的眼镜片类似)、比较容易获得高清晰度大视野的图像、加工相对容易、重量轻，获得了行业的广泛青睐并将成为未来较长时间的一个发展方向。

目前，现有头戴显示器主流的波导技术主要分为全息波导和半透膜阵列波导两类。

其中，全息波导式的头戴显示器，其基本结构的特征为：其采用至少一片反射式的全息光栅(闪耀光栅)将光束偏转一个角度并反射进波导片中，在波导片内进行多次全反射传输，以及采用至少一片全息反射光栅(闪耀光栅)再将光束从波导片中取出。其所代表的有日本索尼提出的公开号为CN1774661A的专利技术。如附图1所示，其波导片13外侧的左右两边粘合了2片反射式的全息衍射光栅(或闪耀光栅)14和15，全息光栅14首先对目镜12的出瞳光束进行一个角度的反射偏转，偏转后的反射光进入到波导片13的内部，随后在波导片13内外两侧壁13a和13b之间进行多次全反射，最后入射到左边的全息光栅15上，全息光栅15再对入射过来的光束沿着与全息光栅14相反的方向进行一个角度的反射偏转，最后光束沿着垂直于波导片的方向进入到人眼并在正前方的远处形成一个显示器中放大的虚像。

该结构具有厚度薄、重量轻的特点。但系统光能利用率比较低，对光栅的精度要求比较高，衍射引入的杂光和色散比较严重而且矫正方法复杂，相对只比较适合单色光(譬如绿光)的图像显示。对于多色光，需要采用上下两片波导片、以及在波导片两端放置上下两组全息光栅的组合才能达到比较好的彩色图案显示的效果。

附图2为索尼公司提出的双片式波导头戴式显示器的光学装置的结构，其由上下两片波导片组成。下方的波导片只反射和传输绿光，下方波导片左右两端的全息光栅只反射和偏转绿光，同时透过红蓝光。而上方的波导片传输红蓝光，上方波导片左右两端的全息光栅反射和偏转红蓝光。上方波导片的红蓝光束，及下方波导片的绿色光束，通过左侧位于眼睛前面的两组全息光栅反射和偏转之后重新组合在一起，才能形成一个全彩的图案。

双片式波导头戴式显示器的主要缺陷为：

1.在这个结构中，颜色是分开传导的，也就是上方一片和下方一片波导片传导不同颜色的光，到眼睛前面再通过2块光栅会聚到一起。容易造成的不良问题是：上下两片波导存在2个波导厚度的光程差，将2种颜色的光叠加在一起，像面容易造成红蓝分开的色差。

2.左右需要4片全息光栅，生产效率低下，品质良率控制难，造成制作成本高，不利于大批量的生产与应用。

3.对全息光栅的加工精度要求非常高，需要极为精密及繁杂的制作工艺，生产品质一致性控制难。

4.全息光栅片与波导片无法采用一体成型，需要复杂及精密的组装工艺才可满足生产条件，上方波导片的红蓝光，和下面波导片的绿光需要非常精密的重合校正、非常精准的对齐，才能矫正色差。如果光栅本身的加工精度误差稍大，其误差会对反射光的偏转角会产生一定的偏差，累计4片的误差，除了容易产生色差问题之外，还容易存在重影的品质问题。并且，受光栅制作精度误差与光学波导结构的缺陷的制约，从而造成视场的角度不够大的问题。

另一种，现有波导式头戴显示器的另一种技术方案为半透膜阵列波导式的头戴显示器技术，其所代表的有图3所示的以色列公司Lumus提出的公布号为US7577326和US20080025667的专利技术。其中，公布号为US20080025667所述的半透膜阵列波导式头戴显示器，其光学装置中的光学波导片位于人眼出瞳的位置由等间距或者变间距排布半透膜22倾斜地内嵌于基底构成；显示屏幕片放置于波导片的右侧，目镜系统位于微显示屏和倾斜棱镜66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平面72耦合到倾斜棱镜66中，经过第一全反射面68的全反射之后，平行光束耦合进光学波导片20中，并在波导片内部进行多次全反射，最后通过半透膜阵列波的反射偏转，入射到人眼中，从而获得微显示屏上的显示信息。该专利所述的半透膜阵列22，其实为一片片镀有半透半反膜的平板玻璃，按照一定的倾斜角度整齐地排列放置。

所述半透膜阵列波导式的头戴显示器光学装置，其波导技术利用倾斜地内嵌于波导基底内的半透膜阵列22的折射和反射实现了目镜出瞳的扩展。与上述索尼提出的图1和图2的采用全息光栅的波导技术相比，由于没有光栅的衍射形成色差，其色散小，容易实现彩色图像显示。但是该项技术对于半透膜阵列22的间距、以及半透膜倾斜角度的要求也非常严格。由于进入到眼瞳中的光束是由等间隔的半透膜反射的光束拼接而成的，半透膜的间距和倾斜角度的误差会导致图像的重影、像素丢失、以及图像锯齿形周期性的变形。另外图像的视角也比较窄。制作方面，由于波导片由等间距或者变间距排布的半透膜倾斜地内嵌于基底构成，其半透膜阵列的排列需要非常精准的位置度及面型精密性，由于其及制作工艺复杂，成品效率不高等因素，其技术方案也不利于大批量的生产与应用。

另外，如附图4所示，美国的Google公司还提出了提出公布号为US8189263的一种基于一维和二维反射面结构阵列的波导式头戴显示器技术，其靠近显示屏幕片的耦合输入面220的反射面结构为一维阵列，所述的反射面结构，其由等间隔的斜面和平面构成。另一端靠近人眼的耦合输出面210，则为二维的反射面结构阵列，其由一颗颗小的棱镜状的反射面结构，错开一定距离、等间隔排列而成。微棱镜的形状也是由斜面和平面构成。一方面，耦合输出端210的微棱镜中的平面可以让波导片外侧的光直接穿过，人眼可以直接看到波导片外侧的场景，另一方面，耦合输出端210的微棱镜中的斜面，可以将从左边显示屏幕片耦合进来、并在波导片中全反射多次的光线，进行全反射并耦合输出到人眼，在人眼的正前方形成一个虚像。从而形成真实场景与虚拟场景叠加的增强现实的效果。

但是这种波导技术有明显的技术缺陷：

其一，耦合输入端的反射面结构220，其由等间隔的斜面和平面构成，反射面结构上的平面部分由于不能反射从显示屏幕片发出的光线、无法将完整的光线偏转并在波导片内部多次全反射传导到右边的耦合输出端，导致传导到人眼的图像部分丢失。其相当于在显示屏幕片上设置了一个黑白相间的视场光阑，这种结构会导致显示器的像素部分丢失和分辨率降低。

其二，耦合输出端的反射面结构210，由于其为二维的反射面结构阵列，其由一颗颗小的棱镜状的反射面结构、隔开一定距离、等间隔、错开排列而成。这些反射面结构之间的空隙为平面，如其专利中所描述的，从波导片左边耦合输入并全反射从显示屏发出的光线，部分光线入射到这些反射面结构之间空隙平面上，经平面反射后还会继续在波导片内全反射到下一个位置，其至少再经过两次的全反射或多次的全反射，直到碰到下一个反射面结构上的斜面才能被反射耦合输出到人眼，而相邻位置入射到反射面结构的斜面上的另一部分光线，则直接被斜面全反射耦合输出到人眼。这种结构相当于将显示屏幕片上原本有序排列的像素分离成不同的位置投射到人体眼睛上，部分像素需要相隔很远的距离在另外一个位置才能看到，其耦合输出到人眼的光是呈非序列的光束。因此这种二维的反射面结构阵列的耦合输出面210，其比较容易会形成重影和杂光，导致人眼看到的显示屏幕片上的图像是模糊不清。

其三，根据US8189263专利图示的结构，结合耦合输入端的反射面结构220和耦合输出端的反射面结构210，因耦合输入端是由等间隔斜面和平面组成的反射面结构，导致无法完整传导这显示屏的图像光线到耦合输出端，又因耦合输出端由二维的多颗反射面结构阵列、呈等间隔排列，这些分立的反射面结构之间的由平面相连，导致耦合输出端的图像光线无法有序传导到人体眼镜中。结合两者组成的整体光传导方案，其明显存在部分光线传导丢失及图像分辨率低的技术缺陷，导致使用者无法完整看清楚显示屏上的影像。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种采用锯齿形V槽状的微结构阵列进行反射偏转的新波导技术的波导式的头戴显示器的光学装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，包括显示装置和光学波导片，所述光学波导片靠近耳朵一侧的侧端部位设有用于将显示装置输出的图像光线输入到光学波导片内部的光线耦合输入结构，所述光线耦合输入结构与显示装置相对设置，所述光学波导片的外侧面和内侧面分别设有互相反射从而将经过光线耦合输入结构输入的图像光线进行至少一次全反射传输的光学反射面，所述光学波导片的外侧面正对人眼区域的位置设有用于使图像光线在其上的反射仅仅是一次反射且使反射的图像光线有序的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面，所述光学波导片的内侧面正对人眼区域的位置设有输出面，其中，所述第一微结构阵列面具有至少两个依次设置的锯齿，相邻两个锯齿之间设有由两个斜面构成的V形槽，并且其中一个斜面设置为光线反射斜面，所述第一微结构阵列面的每个V形槽中的光线反射斜面依次将光学波导片内侧面的光学反射面反射过来的图像光线以单次反射并以相反的方向进行一个特定角度的反射偏转从而使其从输出面输出，以最终输出完整图像。

为实现上述目的，本发明提供了另一种波导式的头戴显示器的光学装置，包括显示装置和光学波导片，所述光学波导片靠近耳朵一侧的侧端部位设有用于将显示装置输出的图像光线输入到光学波导片内部的光线耦合输入结构，所述光线耦合输入结构与显示装置相对设置，在所述光学波导片的外侧面和内侧面中，至少在其外侧面设有将经过光线耦合输入结构输入的图像光线进行至少一次全反射传输的光学反射面，所述光学波导片的内侧面正对人眼区域的位置设有用于使图像光线在其上的反射仅仅是一次反射且使反射的图像光线有序的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面，其中，所述第一微结构阵列面具有至少两个依次设置的锯齿，相邻两个锯齿之间设有由两个斜面构成的V形槽，并且其中一个斜面设置为光线反射斜面，所述第一微结构阵列面的每个V形槽中的光线反射斜面依次将光学波导片外侧面的光学反射面反射过来且穿过第一微结构阵列面的同一V形槽的另一斜面出射到空气介质中的图像光线以单次反射并以相反的方向进行一个特定角度的反射偏转从而输出完整图像。

为实现上述目的，本发明提供了另一种波导式的头戴显示器的光学装置，包括显示装置和光学波导片，其特征在于：所述光学波导片靠近耳朵一侧的侧端部位设有用于将显示装置输出的图像光线输入到光学波导片内部的光线耦合输入结构，所述光线耦合输入结构与显示装置相对设置，在所述光学波导片的外侧面和内侧面中，至少在其外侧面设有将经过光线耦合输入结构输入的图像光线进行至少一次全反射传输的光学反射面，所述光学波导片的内侧面正对人眼区域的位置设有锯齿形V槽状的第一微结构阵列面，所述第一微结构阵列面的外侧设有补偿片，所述补偿片朝向光学波导片的第一微结构阵列面的内侧面上设有第四微结构阵列面，其中，所述第一微结构阵列面和第四微结构阵列面分别具有至少两个依次设置的锯齿，所述第一微结构阵列面的相邻两个锯齿之间设有由两个斜面构成的V形槽，所述第四微结构阵列面的锯齿形状与第一微结构阵列面的锯齿形状相适配，所述第四微结构阵列面的锯齿由另外两个斜面构成，所述第一微结构阵列面与第四微结构阵列面间隔设置形成有折射率低于补偿片的空气隙，所述光学波导片外侧面的光学反射面反射过来的图像光线依次穿过第一微结构阵列面的V形槽的一斜面、空气隙和第四微结构阵列面的锯齿的一斜面后在第四微结构阵列面的同一锯齿的另一斜面上全反射偏转从而输出完整图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提出了一种采用锯齿形V槽状微结构阵列进行反射偏转的新的波导技术，采用锯齿形V槽状的微结构阵列代替现有波导技术中的全息光栅片、半透膜阵列以及一维和二维反射面结构阵列，其能够消除全息光栅由于衍射形成的色差和半透膜阵列由于图像拼接误差所形成的重影或者像素丢失，以及一维和二维反射面结构阵列由于显示器的像素部分丢失和分辨率降低从而导致无法完整看清楚显示屏上的影像的问题。

2、本发明的锯齿形V槽状的微结构阵列能够将传输过来的光线进行一个特定角度的反射偏转，偏转后的光线透过光学波导片输出，最后进入人眼中，在人眼正前方远处呈现一个放大的虚像，光线在其上的反射仅仅是一次反射，其反射的光线是有序的，其依次将传导图像的光束反射输出至人眼中，锯齿之间不会遗漏某些像素的光线，其可耦合输出完整的图像，传输过程中图像的像素不会被打乱。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面将对实施例或者现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是索尼公司提出的公开号为CN1774661A的波导式头戴显示器的光学装置；

图2是索尼公司提出的基于红绿蓝三色光的全息波导式头戴显示器的光学装置；

图3是以色列公司Lumus提出的公布号为US20080025667的半透膜阵列波导式头戴显示器的光学装置；

图4是Google公司提出的公布号为US8189263的一种基于一维和二维反射面结构阵列的波导式头戴显示器技术；

图5是本发明实施例一提供的一种头戴式显示器的光学装置整体结构示意图；

图6是本发明实施例一提供的一种头戴式显示器的光学装置的局部结构俯视图；

图7是本发明实施例一提供的一种头戴式显示器的光学装置的局部结构后视图；

图8是本发明实施例一提供的一种头戴式显示器的光学装置的等轴侧视图；

图9是本发明实施例一提供的第一微结构阵列面的放大图；

图10是本发明实施例一提供的一种头戴式显示器的光学装置从显示屏幕片中心O点出发的主光线的光路图；

图11是本发明实施例一提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图12是本发明实施例一提供的一种头戴式显示器的光学装置的MTF曲线图；

图13是本发明实施例一提供的一种头戴式显示器的光学装置在光度分析软件中的光线追迹图；

图14是本发明实施例一提供的一种头戴式显示器的光学装置在人眼像面上的照明效果图；

图15是本发明实施例二提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图16是本发明实施例三提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图17是本发明实施例四提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图18是本发明实施例五提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图19是本发明实施例六提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图20是本发明实施例七提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图21是本发明实施例八提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图22是本发明实施例九提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图23是本发明实施例十提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图24是本发明实施例十一提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图25是图24中C部位的放大图；

图26是本发明实施例十二提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图27是图26中C部位的放大图；

图28是本发明实施例十三提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图29是本发明实施例十四提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图30是本发明实施例十五提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图31是本发明实施例十六提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图32是本发明实施例十七提供的另一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图33是本发明实施例十八提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图34是本发明实施例十九提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图35是本发明实施例二十提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图36是本发明实施例二十一提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图37是图36中E部位的放大图；

图38是本发明实施例二十二提供的一种头戴式显示器的光学装置的光路图；

图39是图38中F部位的放大图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明的实施例一提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，请参考图5、图6和图7，该光学装置可以安装在眼镜架6上，该光学装置包括显示装置、成像目镜组2和光学波导片3。

其中，显示装置可以设置为至少一片显示屏幕片1，显示屏幕片1的轮廓形状可以为平板状、圆弧状或者球体状。所述显示屏幕片，这里优选为2/3”的显示器，其可以为OLED显示器(有机发光显示屏)、LCD(液晶显示屏)以及其他的LCOS(硅基液晶显示屏)。

光学波导片3靠近耳朵一侧的侧端部位设有用于将显示屏幕片1输出的图像光线输入到光学波导片3内部的光线耦合输入结构，光学波导片3的外侧面设有光学反射面33，光学波导片3的内侧面设有光学反射面34，两个光学反射面能够互相配合反射光线，从而将经过光线耦合输入结构输入的图像光线进行至少一次全反射传输，光学波导片3的外侧面正对人眼区域的位置设有用于使图像光线在其上的反射仅仅是一次反射且使反射的图像光线有序的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面35，光学波导片3的内侧面正对人眼区域的位置设有输出面36。

光学波导片3内侧面的光学反射面34与光学波导片外侧面的光学反射面33可以平行设置或者非平行设置。两光学反射面可以分别设置为平面、带有弧度的曲面或者自由曲面。在本实施例中，光学反射面33与光学反射面34优选设置为平行平面。

具体的，在本实施例中，光线耦合输入结构包括设置在光学波导片3靠近耳朵一侧的侧端部位的耦合输入部30、设置在耦合输入部30末端的耦合输入面31和用于对从耦合输入面31输入的图像光线进行全反射偏转使其偏转进入到光学波导片3外侧面的光学反射面33的第一全反射面32，第一全反射面32设置在耦合输入部30的侧面(即外侧较陡位置)并与光学波导片3的外侧面倾斜设置，耦合输入面31正对着显示屏幕片1。

耦合输入面31可以设置为平面、圆柱面、球面、非球面、自由曲面、混合曲面、斜面、菲涅尔曲面或者带有V槽轮廓的直纹面。在本实施例中，耦合输入面31类似于喇叭口形状。

第一全反射面32可以设置为平面或者曲面。在本实施例中，第一全反射面32优选设置为平面。

输出面36可以设置为凸出的带有光焦度的非球面、球面或者菲涅尔面。在本实施例中，输出面36优选设置为凸出的非球面。

如图9和图10所示，第一微结构阵列面35具有至少两个依次设置的锯齿351，相邻两个锯齿之间设有由斜面353和斜面354构成的V形槽352，斜面353镀有反射膜，从而形成光线反射斜面，第一微结构阵列面35的每个V形槽352中的光线反射斜面依次将光学波导片3内侧面的光学反射面34反射过来的图像光线以单次反射并以相反的方向进行一个特定角度的反射偏转从而使其从输出面36输出，以最终输出完整图像。

第一微结构阵列面35的所有锯齿组成一个等间距或者渐变间距的倾斜锯齿结构，每个锯齿的间距介于20～200微米之间。本实施方案优选该微结构阵列面为等间距的倾斜锯齿形微结构阵列面，优选该锯齿间距为50微米。由于第一微结构阵列面35镀有反射膜，这时人眼看不到波导片外侧的真实场景的图像，而只能看到位于眼镜架6两边的显示屏幕片中放大的图像，可以实现虚拟现实的功能。

成像目镜组2位于光线耦合输入结构与显示屏幕片1之间，成像目镜组2具有至少一片透镜，透镜的面型可以设置为非球面、球面、菲涅尔面或者二元光学面。在本实施例中，成像目镜组2由三片非球面的成像透镜21、24、23组成，其将像差和畸变进行矫正，并将显示装置的显示图案进行放大，以及出射光束进行压缩，压缩后以接近于平行光的光束入射到光学波导片3中。

本实施例一所述波导式的头戴显示器的光学装置，从显示屏幕片的中心O点出发的主光线的光路图如图10所示。假设OP为经过显示屏幕片中心O点的光轴、TU为经过人眼瞳的垂直光轴，OP同时为经过显示屏幕片中心的主光线，其经过光学波导片3的第一全反射面32的反射，反射之后的光线进入到光学波导片3内部，并在光学反射面33与光学反射面34之间进行至少一次全反射，反射光线分别为PQ、QR及RS，最后入射到锯齿形V槽状的微结构阵列面35上，经反射后主光线偏转一个角度，最后以SU的方向射向人眼。假设第一全反射面32的中心点切面与显示屏幕片的中心光轴OP的夹角为θ，第一微结构阵列面35的V形槽中的光线反射斜面353与经过人眼瞳的垂直光轴TU的夹角为α，显示屏幕片的中心光轴OP依次经过第一全反射面32和光学反射面33、34的反射后最终射入到第一微结构阵列面35的V形槽中的光线反射斜面353上的反射光线RS与经过人眼瞳的垂直光轴TU的夹角为β，那么存在以下的关系：β＝2θ；α＝π/2-θ。

根据第一全反射面32中心点切面与光轴OP的夹角θ，可以设计出锯齿形V槽状的微结构阵列面35。其中可以选择θ在15°～40°之间，这里优选其为33°。

图11为具体实施例一所述波导式的头戴显示器的光学装置在成像设计软件中的光路图，其中眼瞳为该光学系统的出瞳位置，这里优选其直径为5mm。眼瞳与光学波导片3的距离在15～18mm之间，本具体实施方案优选该距离为16.8mm。

其原理为：靠近眼镜架耳朵一侧位置的显示屏幕片，其显示的图像先通过成像目镜组21、24、23放大之后耦合到光学波导片的耦合输入面31中，经过第一全反射面32的反射转折之后，光线进入到光学波导片3中并在光学反射面33、34之间进行全反射，最后图像传输到光学波导片3的外侧面正对人眼的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面35上，锯齿形V槽状的第一微结构阵列面35再将传输过来的光线，进行一个特定角度相反方向的反射偏转，偏转后的光线沿着垂直于光学波导片内侧面的方向、从输出面36输出，最后进入到人眼的瞳孔中，在人眼正前方的远处形成一个放大的图像。其中，光线在第一微结构阵列面35上的反射仅仅是一次反射，其反射的光线是有序的，其依次将传导图像的光束反射输出至人眼中，锯齿之间不会遗漏某些像素的光线，其可耦合输出完整的图像，传输过程中图像的像素不会被打乱。

所述显示屏幕片优选其对角线尺寸为2/3”，在成像设计过程采用了像圆直径为18mm。

图12为本具体实施例一所述波导式的头戴显示器的光学装置的MTF曲线，在30线对时，除了最外视场(1视场)的弧矢方向的分辨率为0.34左右，其他所有的视场(0～1内的视场)的分辨率都在0.5以上，解像率完全可以满足要求。

如图13所示，将本具体实施例一所述波导式的头戴显示器的光学装置的三维模型放入到光度分析软件中进行光线追迹和光度分析。其中将显示屏幕片设置为带有辐射状条纹的发光面，假设其光通量为10流明。同时将波导片外侧的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面35设置为镜面反射。并且设置一个等效透镜来模拟人眼光学系统，模拟人眼像面上的照明效果如图14所示。模拟人眼像面上的光斑也是个辐射状的条纹，其长宽方向与显示屏幕片的长宽方向一致，可以看到模拟人眼的像面上的光斑比较干净，没有重影和杂光。

实施例二

本发明的实施例二提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，是在实施例一的基础上做出的改进，除了实现虚拟现实的功能之外，其还可以实现增强现实的功能。请参考图15，光学波导片3的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面35的V形槽的斜面镀有部分反射膜或者半反半透膜，紧贴着第一微结构阵列面35的外侧还设置有一个补偿镜4，补偿镜4朝向光学波导片3的第一微结构阵列面35的内侧面上设有锯齿形V槽状的第三微结构阵列面41，第三微结构阵列面41也具有至少两个依次设置的锯齿，相邻两个锯齿之间设有由两个斜面构成的V形槽，补偿镜4的第三微结构阵列面41的锯齿形状与光学波导片3的第一微结构阵列面35的锯齿形状完全镜像，第三微结构阵列面41的V形槽的斜面上设有增透膜。

当补偿镜4与光学波导片3紧贴在一起时，从光学波导片3外侧的远处真实场景的光线，先通过位于补偿镜4的第三微结构阵列面41进行折射，折射后的光线再通过位于光学波导片3的第一微结构阵列面35再次折射，由于两个微结构阵列面的锯齿形状完全镜像，两个微结构阵列面的折射角度正好完全补偿，从外侧场景入射到补偿镜4中的光线的光路沿原路直线向前，没有被偏转，再通过位于光学波导片3的输出面36，入射到眼睛，从而可以看到光学波导片3外侧的远处的真实场景。

该具体实施方案除了采用补偿镜4可以看到波导片外侧的远处的真实场景之外。其余部分与实施例一相同，其还可以同时看到显示屏幕片上放大的图像。靠近眼镜架耳朵一侧位置的显示屏幕片显示的图像先通过成像目镜组21、24、23放大之后耦合到光学波导片的耦合输入面31中，经过第一全反射面32的反射转折之后，输入光线进入到光学波导片3中并在光学反射面33、34之间进行全反射，最后图像传输到光学波导片外侧面正对人眼的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面35上。由于第一微结构阵列面35上镀有部分反射膜或者半反半透膜，其再将传输过来的光线，进行一个特定角度的部分反射偏转，偏转后的光线沿着垂直于光学波导片内侧面的方向、从输出面36输出，最后进入到人眼的瞳孔中，在垂直于光学波导片的正前方远处形成一个放大的图像。所以人眼看到的图像是真实场景和显示屏幕片中的图像的叠加，其将虚拟的计算机中的画面，叠加到现实的真实场景中，实现增强现实的功能。

实施例三

本发明的实施例三提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，其光线在光学波导片中反射的次数、光学波导片的长短以及成像目镜组镜片的数量，可以根据视场角和成像大小来确定。所述显示屏幕片和光学波导片的耦合输入面均倾斜一个角度放置，显示屏幕片的光束直接投射到光学波导片的外侧面的光学反射面进行全反射传输。这里称这种实施方案为直投式的波导头戴显示器光学方案。

当视场要求比较小、成像较小时，可以设计焦距比较长的系统，目镜组可以少用一些镜片，甚至不用目镜组，另外，光学波导片的光学反射面的反射次数也可以少一些。如图16所示，本实施例所述的波导式的头戴显示器的光学装置为焦距比较长、视角比较小的系统，其取消了成像目镜组，另外光线在光学波导片内部的反射次数也比上述实施例一和实施例二少了一次。

本具体实施方案为直投式的波导头戴显示器光学方案，其由显示屏幕片1和光学波导片300组成。光学波导片300的光线耦合输入结构包括设置在光学波导片300靠近耳朵一侧的侧端部位的耦合输入部320和设置在耦合输入部320末端的耦合输入面321，显示屏幕片倾斜放置，耦合输入面正对着显示屏幕片，显示屏幕片输出的图像光线经过耦合输入面321后直接投射到光学波导片外侧面的光学反射面322。

在本实施例中，光学波导片300不设置第一全反射面，其对着显示屏幕片1的位置设置有一个耦合输入面321，其可以为平面或者弧面，这里优选其为平面。光学波导片320的外侧和内侧分别设置有完全平行的光学反射面322和323，其可以为平面，也可以为弧面，本具体实施方案优选该两个光学反射面为平面。光学波导片300的外侧正对人眼的位置设置有锯齿形V槽状的第一微结构阵列面324，其上镀有反射膜。

本具体实施方案的工作原理为：从显示屏幕片发出的光经过光学波导片的耦合输入面321先耦合到光学波导片300中，直接入射到光学波导片内外两侧的光学反射面322和323之间，经过光学反射面322和323的两次全反射之后，反射光线入射到锯齿形V槽状的第一微结构阵列面324上，第一微结构阵列面324将入射光线往相反方向进行一个角度的反射偏转，反射光线沿着垂直于光学波导片的方向，从输出面325输出，进入到人眼中，从而在人眼的正前方的远处呈一个放大的虚像。

实施例四

波导式的头戴显示器的光学装置除了采用成像目镜组进行聚光和图像放大之外，也可以直接将光焦度设置在光学波导片的某一个面上(譬如：将光学波导片靠近眼瞳位置的输出面设置一个凸出的非球面，并将光学波导片靠近显示屏幕片的耦合输入面也设置为非球面，或者将光学波导片的第一全反射面设置为自由曲面)，这样也可以减少成像目镜的数量，而视场和放大倍率保持不变。

本发明的实施例四提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，如图17所示，具体实施方案四将光学波导片420靠近显示屏幕片的耦合输入面421设置为非球面，其耦合输入面421的外侧设置了第一全反射面422。另外，光学波导片420的外侧和内侧分别设置有完全平行的光学反射面423和424，其可以为平面，也可以为弧面，本具体实施方案优选该两个光学反射面为平面。所述光学波导片420的外侧面正对人眼的位置设置有锯齿形V槽状的第一微结构阵列面425，其上镀有反射膜。

本具体实施方案的工作原理为：从显示屏幕片发出的光经过光学波导片的耦合输入面421先进行会聚，并入射到光学波导片的第一全反射面422上，经过反射后光束进入到光学波导片内外两侧的光学反射面423和424之间，经过光学反射面423和424的两次全反射之后，光束入射到锯齿形V槽状的第一微结构阵列面425上，第一微结构阵列面425将入射光束往相反方向进行一个角度的反射偏转，最后反射光束沿着垂直于光学波导片的方向，从输出面426输出，进入到人眼中，从而在人眼的正前方的远处呈一个放大的虚像。

实施例五

本发明的实施例五提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，其光学波导片的外侧面靠近人眼位置的输出面可以设置成平面，其与光学波导片530的内侧面重合。如图18所示，其靠近眼瞳用来输出光束的位置是平的，不设置任何凸起的带有光焦度的非球面，其与光学波导片的内侧面重合。

本具体实施方案的工作原理为：从显示屏幕片1发出的光，通过目镜组52(由透镜521、522和523组成)进行会聚，会聚成基本上平行的光束，会聚后的光束经过光学波导片530的耦合输入面531，直接入射到光学波导片内外两侧的光学反射面532和533之间，经过光学反射面532和533的两次全反射之后，反射光束入射到锯齿形V槽状的第一微结构阵列面534上，第一微结构阵列面534将入射光束往相反的方向进行一个角度的反射偏转，最后反射光束沿着垂直于光学波导片530的方向，从经光学波导片530的输出面输出，进入到人眼中，从而在人眼的正前方的远处呈一个放大的虚像。

实施例六

本发明的实施例六提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，其光学波导片中靠近成像目镜组的第一全反射面可以设置为自由曲面全反射面，其除了将从成像目镜组入射过来的光束导入到光学波导片的外侧和内侧完全平行的光学反射面之间，其还承担了一定的光焦度，其可以减少成像目镜组中的镜片的数量，譬如将三片减为两片，同时光学波导片的内侧面靠近眼瞳的位置的输出面不需要设置为带有光焦度的凸起的非球面。

如图19所示，在本实施例中，该波导式的头戴显示器的光学装置的成像目镜组62采用两片式的结构，分别为透镜621和622，另外光学波导片630靠近成像目镜组的第一全反射面632设置成自由曲面全反射面，其除了将从成像目镜组62入射过来的光束导入到光学波导片630的外侧和内侧完全平行的光学反射面633和634之间外，其还承担了一定的光焦度，将图像进行放大。此外，光学波导片的内侧面靠近眼瞳的位置不设置任何带有光焦度的凸面，其靠近眼瞳用来输出光束的位置是平的，输出面与光学波导片的内侧面相重合。第一全反射面632为自由曲面全反射面，其倾斜角达到全反射的条件，其可以为超环面、XY方向曲率半径不同的离轴二次曲面或者多项式曲面。本具体实施方案优选其为双锥系数曲线，其X和Y方向的曲率半径和锥度系数不同。

本具体实施方案的工作原理为：从显示屏幕片1发出的光，通过成像目镜组62进行会聚，会聚后的光束经过光学波导片的耦合输入面631，入射到第一全反射面632上，第一全反射面632将光线进一步会聚，并将光束进行全反射偏转，输入到光学波导片内外两侧的光学反射面633和634之间。光束在波导片中传输，并经过光学反射面633和634的两次全反射之后，入射到锯齿形V槽状的第一微结构阵列面635上，第一微结构阵列面635将入射光束往相反方向进行一个角度的反射偏转，最后反射光束沿着垂直于光学波导片的方向，经光学波导片630的输出面输出，进入到人眼中，从而在人眼的正前方的远处呈一个放大的虚像。

实施例七

本发明的实施例七提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，其光学波导片可以与透镜组相结合，形成可以变焦的头戴显示器。如图20所示，在实施例一的基础上，本实施例的波导式的头戴显示器的光学装置在显示屏幕片1和光学波导片830的耦合输入面831之间改为设置两组透镜，其中一组为补偿透镜组81，另一组为变倍透镜组82。另外，在眼瞳与光学波导片的输出面836之间放置了一组镜片，其为前固定透镜组84。当变倍透镜组82、补偿透镜组81沿着光轴方向按虚线箭头所示的规律呈非线性速率的移动时，可以实现光学系统焦距长短的变化，从而实现显示图像大小的变化。

所述前固定透镜组84优选由两片透镜组成，其也可以只有一片透镜，根据具体情况设置。所述变倍透镜组82和补偿透镜组81在本具体实施方案中优选只有一片镜组成，其也可以为两片以上的透镜，根据分辨率、视场角和变焦倍数来确定。

实施例八

本发明的实施例八提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，其光学波导片可以与负透镜组合，以适用于近视的人群。如图21所示，该波导式的头戴显示器的光学装置在光学波导片920可以采用上述实施例所述的光学波导片的结构，光学波导片920内侧面的输出面926与眼瞳之间设置了一个负透镜93，其用于矫正近视眼使用者的视力，具体负透镜的焦距可以根据使用者的近视度数来调整，这样使用者可以清楚看到显示屏幕片中位于人眼正前方放大的虚像。

实施例九

本发明的实施例九提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，其光学波导片可以与正透镜镜组合，以适用于老花的人群。如图22所示，该波导式的头戴显示器的光学装置在光学波导片1000可以采用上述实施例所述的光学波导片的结构，光学波导片1000内侧面的输出面1006与眼瞳之间设置了一个正透镜103，其用于矫正老花眼使用者的视力，具体正透镜的焦距可以根据使用者的老花度数来调整，这样使用者可以清楚看到显示屏幕片中位于人眼正前方放大的虚像。

实施例十

本发明的实施例十提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，其光学波导片除了正对眼瞳的外侧面设置有锯齿形V槽状的第一微结构阵列面之外，其靠近显示屏幕片一边的外侧面也可以设置有锯齿形V槽状的第二微结构阵列面。

如图23所示，光学波导片73的光线耦合输入结构包括设置在光学波导片73的内侧面且靠近耳朵一侧的耦合输入面和设置在光学波导片的外侧面且靠近耳朵一侧的锯齿形V槽状的第二微结构阵列面732，第二微结构阵列面732具有至少两个依次设置的锯齿，相邻两个锯齿之间设有由两个斜面构成的V形槽，并且其中一个斜面设置为光线反射斜面。第二微结构阵列面和耦合输入面正对着显示屏幕片1，第二微结构阵列面732的每个V形槽的光线反射斜面依次将显示屏幕片1射入到光学波导片内的图像光线反射偏转进入到光学波导片内侧面的光学反射面731。

光学波导片73靠近显示屏幕片一边的外侧面上的第二微结构阵列面732的锯齿形斜面与位于眼瞳一侧的第一微结构阵列面734的锯齿形斜面的倾斜方向相反，第二微结构阵列面732的作用为用来代替上述实施方案所述的第一全反射面。这样整个光学波导片直接做成平片式的，光学波导片可以做得更薄。

在本实施例中，其成像目镜组72和显示屏幕片1的光轴可以垂直于光学波导片72放置。从显示屏幕片1发出的光线经过成像目镜组72(由透镜721、722和723组成)进行图像放大和光束准直之外，耦合垂直入射到光学波导片73中，锯齿形V槽状的第二微结构阵列面732将入射光线进行一个角度的反射偏转，反射光线往左沿着光学波导片73的内部传输，经过光学反射面733和731的互相反射后，以一个倾斜的角度入射到位于眼瞳正前方、光学波导片外侧面的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面734上，再经过第一微结构阵列面734往相反的方向进行反射偏转，最后反射光线以垂直于光学波导片73的方向，经过输出面735输出，进入到人眼中，并在人眼正前方的远处形成一个放大的虚像。

实施例十一

本发明的实施例十一提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，与上述实施例不同的是，在光学波导片中，其用于反射和偏转光线的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面位于光学波导片的内侧面且靠近眼瞳的区域。

如图24所示，该波导式的头戴显示器的光学装置由显示屏幕片1、光学波导片1120组成。所述光学波导片1120靠近耳朵一侧的侧端部位设有用于将显示装置输出的图像光线输入到光学波导片内部的光线耦合输入结构，在光学波导1120片的外侧面和内侧面中，至少在其外侧面设有将经过光线耦合输入结构输入的图像光线进行至少一次全反射传输的光学反射面1123，光学波导片1120的内侧面正对人眼区域的位置设有用于使图像光线在其上的反射仅仅是一次反射且使反射的图像光线有序的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面1125。

所述光线耦合输入结构包括设置在光学波导片靠近耳朵一侧的侧端部位的耦合输入部、设置在耦合输入部末端的耦合输入面1121和用于对从耦合输入面输入的图像光线进行全反射偏转使其偏转进入到光学波导片外侧面的光学反射面的第一全反射面1122，第一全反射面1122设置在耦合输入部的侧面并与光学波导片1120的外侧面倾斜设置，耦合输入面1121正对着显示屏幕片1。

在本实施例中，耦合输入面1121优选设置为一个非球面耦合输入面，当然也可以为平面、圆柱面、球面、自由曲面、混合曲面、斜面、菲涅尔曲面或者带有V槽轮廓的直纹面。第一全反射面1122优选设置为直角棱镜式第一全反射面，当然也可以为平面、自由曲面、超环面、X和Y方向的曲率半径不同的离轴二次曲面、多项式曲面或者X和Y方向的曲率半径及锥度系数均不同的双锥系数曲面。

第一微结构阵列面1125的局部放大图C如图25所示，第一微结构阵列面1125具有至少两个依次设置的锯齿，相邻两个锯齿之间设有倒置的V形槽，所述V形槽由斜面1125a和1125b构成，斜面1125b垂直于在光学波导片中全反射过来的光线RP，其上方没有镀反射膜，光线RP经过斜面1125b折射之后，沿原路出射到空气介质中，并入射到另一侧斜面1125a上，斜面1125a的上面镀有反射膜，从而形成光线反射斜面，其将入射光线RP再次反射，反射后的光线沿着PO的方向入射到眼瞳中，在人眼的正前方形成一个显示屏幕片中放大的虚像。假设光线RP与经过眼瞳的光轴OO’的夹角为b，斜面1125a与经过眼瞳的光轴OO’的夹角为a，那么a与b的关系为：a＝b/2。

在光学波导片1120中，光线束在其光学反射面1123和1124之间的全反射可以为多次全反射，为了便于说明问题，本具体实施方案将光学波导片的左右长度缩短，使得光线束在其光学反射面1123和1124之间的全反射只为一次全反射。

实施例十二

本发明的实施例十二提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，其除了实现将光学波导片内传输的光线反射和偏转至人眼之外，还可以实现部分透射的功能，其同时将光学波导片外侧的真实场景透过光学波导片导入到眼瞳中。人眼同时可以看到显示屏幕片中的虚拟图像和正前方的真实场景，实现增强现实的功能。

如图26所示，所述光学波导片1220设有一个非球面耦合输入面1221、第一全反射面1222、位于光学波导片内外侧的光学反射面1224和1223、以及锯齿形V槽状的第一微结构阵列面1225。

图27为局部图D的放大图，与上述实施例十一不同的是，所述第一微结构阵列面1225中相邻两个V形槽之间的锯齿端部设有对光学波导片内全反射传输的图像光线没有反射作用且能够透射光学波导片外侧的真实场景的平面1225c，从而使第一微结构阵列面1225形成部分反射及部分透射的混合微结构阵列面。所述V形槽的斜面1225b垂直于在光学波导片中全反射过来的光线RP，其上方没有镀反射膜。光线RP经过斜面1225b折射之后，沿原路出射到空气介质中，并入射到另一侧斜面1225a上，斜面1225a上面镀有反射膜，从而形成光线反射斜面，其将入射光线RP再次反射，反射后的光线沿着PO的方向入射到眼瞳中，在人眼的正前方形成一个显示屏幕片中放大的虚像。所述斜面1225a与光轴OO’的夹角与具体实施方案十一中所述的一样，其为光线RP与光轴OO’的夹角的一半。

图27中，所述光线R’P’为经过相邻锯齿形微结构顶点E的边缘光线，经过斜面1225b之后，其也入射到另一侧斜面1225a上的P’点，因此没有入射到平面1225c上，即平面1225c对波导片内全反射传输的光线没有反射作用，因此本实施例与图4所示的现有实施方案，其反射面结构之间的空隙为平面的波导技术为不同的实施方案。图4所示的现有实施方案，其反射面结构之间的空隙为平面的位置对光学波导片内传输的光线具有反射作用，对最后输出的图像产生干扰。

除了第一微结构阵列面1225的斜面对光学波导片内传播的光束进行序列的反射偏转，将显示屏幕片1中的图像成像于人眼正前方的远处之外，另一方面，从光学波导片外侧入射的光线TT’则可以经过平面1225c直接穿过光学波导片进入到眼瞳中，人眼同时也可以看到光学波导片外侧的真实场景。因此本具体实施方案所述波导式的头戴显示技术可以实现增强现实的功能。

实施例十三

本发明的实施例十三提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，与上述实施例十一不同的是，当其焦距较长，显示的图像较小时，这时可以使用直投式的波导头戴显示器光学方案。如图28所示，光学波导片的光线耦合输入结构包括设置在光学波导片靠近耳朵一侧的侧端部位的耦合输入部和设置在耦合输入部末端的耦合输入面1521，耦合输入面1521正对着显示屏幕片，显示屏幕片输出的图像光线经过耦合输入面1521后直接投射到光学波导片外侧面的光学反射面1522。

图28中，每个V形槽的锯齿由左右两个斜面构成，左侧的斜面镀有反射膜，其与经过眼瞳的光轴的夹角，为入射光线与眼瞳的光轴的夹角的一半。右侧的斜面则垂直于入射光线。所述第一微结构阵列面1524的原理与具体实施方案十一所述的一致。

实施例十四

本发明的实施例十四提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，与上述实施例十二不同的是，当其焦距较长，显示的图像较小时，这时可以使用上述实施例十三所述的直投式的波导头戴显示器光学方案。

如图29所示，所述第一微结构阵列面1624除了实现将光学波导片内传输的光线反射和偏转至人眼之外，还可以实现部分透射的功能，其同时将波导片外侧的真实场景透过波导片，导入到眼瞳中。人眼同时可以看到显示屏幕片1中的虚拟图像和正前方的真实场景，实现增强现实的功能。所述锯齿形V槽状的第一微结构阵列面1624的原理与具体实施方案十二所述的一致。

实施例十五

本发明的实施例十五提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，所述光学波导片的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面可以位于光学波导片的内侧面、靠近眼瞳的区域。当其焦距较长，显示的图像较小时，可以采用直投式的波导头戴显示器光学方案，其光学波导片也可以结合变焦透镜组实现光学变焦的显示。如图30所示，在上述实施例十三的基础上，所述显示屏幕片1与光学波导片1740的光线耦合输入结构之间依次设有补偿透镜组172和变倍透镜组173，在光学波导片1740的第一微结构阵列面1744和眼瞳之间设置有前固定透镜组175。当补偿透镜组172和变倍透镜组173沿着垂直于显示屏幕片1的光轴方向按虚线箭头所示的规律呈非线性速率的移动时，可以实现光学系统焦距长短的变化，从而实现显示图像大小的变化。

所述前固定透镜组175可以优选由两片透镜组成，其也可以只有一片透镜，根据具体情况设置。所述补偿透镜组172和变倍透镜组173优选只由一片透镜组成，其也可以为两片以上的透镜，根据分辨率、视场角和变焦倍数来确定。

实施例十六

本发明的实施例十六提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，所述光学波导片的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面可以位于光学波导片的内侧面、靠近眼瞳的区域。当其焦距较长，显示的图像较小时，可以采用直投式的波导头戴显示器光学方案，其光学波导片也可以结合变焦透镜组实现光学变焦的显示。如图31所示，在上述实施例十四的基础上，所述显示屏幕片1与光学波导片1840的光线耦合输入结构之间依次设有补偿透镜组182和变倍透镜组183，在光学波导片1840的第一微结构阵列面1844和眼瞳之间设置有前固定透镜组185。

所述光学波导片1840为部分透射式的，人眼同时可以看到显示屏幕片中的虚拟图像和正前方的真实场景，实现增强现实的功能。另外，当补偿透镜组182和变倍透镜组183沿着垂直于显示屏幕片1的光轴方向按虚线箭头所示的规律呈非线性速率的移动时，可以实现系统的光学变焦，从而实现显示图像大小的变化。

实施例十七

本发明的实施例十七提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，所述光学波导片用于反射和偏转光线的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面位于光学波导片的内侧面、靠近眼瞳的区域，所述光学波导片可以与负透镜组合，以适用于近视的人群。如图32所示，在上述实施例十一的基础上，所述光学波导片1920的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面1925与眼瞳之间设置了一个负透镜193，其用于矫正近视眼使用者的视力，具体负透镜的焦距可以根据使用者的近视度数来调整，这样使用者可以清楚看到显示屏幕片中位于人眼正前方放大的虚像。

实施例十八

本发明的实施例十八提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，所述光学波导片用于反射和偏转光线的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面位于光学波导片的内侧面、靠近眼瞳的区域，所述光学波导片可以与正透镜组合，以适用于老花的人群。如图33所示，在上述实施例十二的基础上，所述光学波导片2020为部分透射式的，人眼同时可以看到显示屏幕片中的虚拟图像和正前方的真实场景，其锯齿形V槽状的第一微结构阵列面2025与眼瞳之间设置了一个正透镜203，其用于矫正老花眼使用者的视力，具体正透镜的焦距可以根据使用者的老花度数来调整。这样使用者可以清楚看到显示屏幕片中位于人眼正前方放大的虚像。

实施例十九

本发明的实施例十九提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，所述光学波导片用于反射和偏转光线的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面2135位于光学波导片的内侧面、靠近眼瞳的区域。所述光学波导片可以设置一个类似直角棱镜的第一全反射面，同时结合高清晰目镜组，实现最大的放大倍率和图像分辨率。如图34所示，在上述实施例十一的基础上，该波导式的头戴显示器的光学装置由显示屏幕片1、目镜组212(由透镜2121、2122、2123组成)和反射式的光学波导片2130组成，所述光学波导片2130设置了一个类似直角棱镜的第一全反射面2132，同时结合高清晰目镜组212，实现最大的放大倍率和图像分辨率。

实施例二十

本发明的实施例二十提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，所述光学波导片用于反射和偏转光线的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面2235位于光学波导片的内侧面、靠近眼瞳的区域。如图35所示，在上述实施例十二的基础上，该波导式的头戴显示器的光学装置由显示屏幕片1、目镜组222(由透镜2221、2222、2223组成)和部分透射式的光学波导片2230组成。所述光学波导片2230设置了一个类似直角棱镜的第一全反射面2232，同时结合高清晰目镜组222，实现最大的放大倍率和图像分辨率。

实施例二十一

本发明的实施例二十一提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，其是针对上述实施例十一所述的波导式的头戴显示器的光学装置所做出的改进，上述实施例十一所述的位于光学波导片的内侧面、靠近眼瞳的区域的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面1125，其斜面1125a需要镀反射膜，工艺比较复杂。本具体实施方案提出了设置一种较高折射率补偿片的方法，可以采用全反射的方法将光学波导片中传输过来的光束进行偏转并输入到眼瞳中，不用在任何斜面上镀膜。

如图36所示，本具体实施方案所述的波导式的头戴显示器光学装置由显示屏幕片1、光学波导片1320和与其配套组合的补偿片133组成，光学波导片1320靠近耳朵一侧的侧端部位设有用于将显示装置输出的图像光线输入到光学波导片内部的光线耦合输入结构，光线耦合输入结构包括设置在光学波导片靠近耳朵一侧的侧端部位的耦合输入部、设置在耦合输入部末端的耦合输入面1321和用于对从耦合输入面输入的图像光线进行全反射偏转使其偏转进入到光学波导片外侧面的光学反射面的第一全反射面1322，第一全反射面1322设置在耦合输入部的侧面并与光学波导片的外侧面倾斜设置，耦合输入面1321正对着显示屏幕片1。当然，该波导式的头戴显示器光学装置也可以采用上面实施例所述的直投式的光线耦合输入结构。

所述第一全反射面1322可以设置为平面、自由曲面、超环面、X和Y方向的曲率半径不同的离轴二次曲面、多项式曲面、X和Y方向的曲率半径及锥度系数均不同的双锥系数曲面或者带有棱镜结构反射面。

所述耦合输入面1321可以设置为平面、圆柱面、球面、非球面、自由曲面、混合曲面、斜面、菲涅尔曲面或者带有V槽轮廓的直纹面。在本实施例中，优选设置为非球面的耦合输入面。

在光学波导片1320的外侧面和内侧面中，至少在其外侧面设有将经过光线耦合输入结构输入的图像光线进行至少一次全反射传输的光学反射面1323，光学波导片1320的内侧面正对人眼区域的位置设有锯齿形V槽状的第一微结构阵列面1325，第一微结构阵列面1325的外侧设有补偿片133，补偿片133朝向光学波导片1320的第一微结构阵列面1325的内侧面上设有锯齿形V槽状的第四微结构阵列面1331。所述补偿片133的折射率高于光学波导片1320的折射率。

如图37所示，第一微结构阵列面1325具有至少两个依次设置的锯齿1320，相邻两个锯齿1320之间设有由斜面1325a和1325b构成的V形槽，所述第四微结构阵列面1331的锯齿形状与第一微结构阵列面1325的锯齿形状相适配，第四微结构阵列面1331也具有至少两个依次设置的锯齿1330，第四微结构阵列面1331的锯齿1330由斜面1330a和1330b构成，相邻两个锯齿1330之间设有与第一微结构阵列面1325的锯齿1320相对应的V形槽，第一微结构阵列面1325与第四微结构阵列面1331间隔设置形成有折射率低于补偿片的空气隙，所述空气隙的间隔可以为4～7微米，具体实施方案优选为5微米。

从光学波导片1320的光学反射面1323处全反射过来的光线RP，经过第一微结构阵列面1325的斜面1325b之后，穿过空气隙，再穿过补偿片的斜面1330b，入射到补偿片的斜面1330a上，由于斜面1330a的外侧是折射率较低的空气隙，P点位置达到全反射条件，因此光线RP被斜面1330a全反射，全反射后的光线向下输出，进入到眼瞳中。因此加了折射率较高的补偿片133之后，光学波导片及补偿片的任何斜面都不需要镀反射膜。

所述第一微结构阵列1325的斜面1325b和第四微结构阵列面1331的斜面1330b垂直于光线RP，第一微结构阵列面1325的斜面1325a和第四微结构阵列面1331的斜面1330a与光轴OO’的夹角A与具体实施方案十一中所述的一样，其为光线RP与光轴OO’的夹角B的一半，即A＝B/2。

实施例二十二

本发明的实施例二十二提供了一种波导式的头戴显示器的光学装置，其是针对上述实施例十二所述的波导式的头戴显示器的光学装置所做出的改进，本具体实施方案跟上述实施例二十一一样也提出了设置一种较高折射率补偿片的方法，可以采用全反射的方法将光学波导片中传输过来的光束进行偏转并输入到眼瞳中，不用在任何微结构阵列面的斜面上镀反射膜，工艺简单。

如图38所示，该波导式的头戴显示器的光学装置由显示屏幕片1、光学波导片1420及与其配套组合的补偿片143组成，所述光学波导片1420的结构与上述实施例十二的光学波导片的结构大部分相同，其具有一个非球面耦合输入面1421、第一全反射面1422、位于光学波导片1420的外侧面的光学反射面1423以及位于光学波导片的内侧面的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面1425。补偿片143朝向第一微结构阵列面1425的面上设有第四微结构阵列面1430。

如图39所示，在光学波导片1420的第一微结构阵列面1425中，其V形槽由斜面1425a和1425b构成，相邻两个V形槽之间的锯齿端部设有对光学波导片内全反射传输的图像光线没有反射作用且能够透射光学波导片外侧的真实场景的平面1425c。在补偿片143的第四微结构阵列面1430中，其锯齿由斜面1430a和1430b构成，相邻两个锯齿之间设有对光学波导片内全反射传输的图像光线没有反射作用且能够透射光学波导片外侧的真实场景的平面1430c。所述第四微结构阵列面1430的锯齿形状与第一微结构阵列面1425的锯齿形状相适配。第一微结构阵列面和第四微结构阵列面组合形成部分反射及部分透射的混合微结构阵列面。

所述补偿片143的折射率高于光学波导片的折射率，第一微结构阵列面与第四微结构阵列面间隔设置形成有折射率低于补偿片的空气隙，所述空气隙的间隔可以为4～7微米，具体实施方案优选为5微米。

从光学波导片光学反射面1423处全反射过来的光线RP，经过斜面1425b之后，穿过空气隙，再穿过补偿片的斜面1430b，入射到补偿片的另一侧斜面1430a上，由于斜面1430a的外侧是折射率较低的空气隙，P点位置达到全反射条件，因此光线RP被斜面1430a全反射，全反射后的光线向下输出，进入到眼瞳中。因此加了折射率较高的补偿片143之后，光学波导片及补偿片的任何斜面都不需要镀反射膜。

图39中，所述第一微结构阵列1425的右侧斜面1425b和补偿片143的右侧斜面1430b垂直于光线RP。所述第一微结构阵列1425的左侧斜面1425a和补偿片143的左侧斜面1430a与光轴OO’的夹角与具体实施方案十二中所述的一样，其为光线RP与光轴OO’的夹角的一半。

图39中，所述光线R’P’为经过相邻锯齿形微结构顶点E的边缘光线，经过斜面1425b、空气隙、以及斜面1430b之后，其也入射到另一侧斜面1430a上的P’点，因此没有入射到平面1425c上，即平面1425c对波导片内全反射传输的光线没有反射作用，因此，这与图4所示的现有技术方案相比，其反射面结构之间的空隙为平面的波导技术为完全不同的实施方案。图4所示的现有实施方案的反射面结构之间的空隙为平面的位置对波导片内传输的光线也具有反射作用，会对最后输出到眼瞳中的图像产生干扰。

除了锯齿形微结构的斜面对波导片内传播的光束进行序列的反射偏转，将显示屏幕片1中的图像成像于人眼正前方的远处。另一方面，从光学波导片外侧入射的光线TT’则可以经过平面1425c和1430c直接穿过光学波导片进入到眼瞳中，人眼同时也可以看到波导片外侧的真实场景。因此本具体实施方案所述波导式的头戴显示技术可以实现增强现实的功能。

在此需要说明的是，在上述各个实施例中，所述光学波导片与微结构阵列面可以为一体成型结构。在制作成本及生产工艺上，可以采用高精密模具直接注塑成型实现，微结构阵列面与光学波导片一体注塑成型，制作成本低，产品精度高，生产快捷，容易实现批量生产与普及化应用。

当然，所述光学波导片和微结构阵列面也可以为独立结构，所述微结构阵列面可以设置为连接在光学波导片上的一种光学组件，所述光学组件设置为光学薄膜，所述光学薄膜通过光学胶粘连在光学波导片上。所述光学薄膜可以通过辊压成型或压模的方法制作，光学薄膜上刻好相应的反射锯齿，并在相应的斜面印制反射膜，裁剪后通过光学胶粘贴的方法粘贴在光学波导片上，但是光学胶的折射率和光学波导片的折射率要基本相同。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种波导式的头戴显示器的光学装置，包括显示装置和光学波导片，其特征在于：所述光学波导片靠近耳朵一侧的侧端部位设有用于将显示装置输出的图像光线输入到光学波导片内部的光线耦合输入结构，所述光线耦合输入结构与显示装置相对设置，在所述光学波导片的外侧面和内侧面中，至少在其外侧面设有将经过光线耦合输入结构输入的图像光线进行至少一次全反射传输的光学反射面，所述光学波导片的内侧面正对人眼区域的位置设有锯齿形V槽状的第一微结构阵列面，所述第一微结构阵列面的外侧设有补偿片，所述补偿片朝向光学波导片的第一微结构阵列面的内侧面上设有第二微结构阵列面，其中，所述第一微结构阵列面和第二微结构阵列面分别具有至少两个依次设置的锯齿，所述第一微结构阵列面的相邻两个锯齿之间设有由两个斜面构成的V形槽，所述第二微结构阵列面的锯齿形状与第一微结构阵列面的锯齿形状相适配，所述第二微结构阵列面的锯齿由另外两个斜面构成，所述第一微结构阵列面与第二微结构阵列面间隔设置形成有折射率低于补偿片的空气隙，所述光学波导片外侧面的光学反射面反射过来的图像光线依次穿过第一微结构阵列面的V形槽的一斜面、空气隙和第二微结构阵列面的锯齿的一斜面后在第二微结构阵列面的同一锯齿的另一斜面上全反射偏转从而输出完整图像。

2.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光线耦合输入结构包括设置在光学波导片靠近耳朵一侧的侧端部位的耦合输入部、设置在耦合输入部末端的耦合输入面和用于对从耦合输入面输入的图像光线进行全反射偏转使其偏转进入到光学波导片外侧面的光学反射面的第一全反射面，所述第一全反射面设置在耦合输入部的侧面并与光学波导片的外侧面倾斜设置，所述耦合输入面正对着显示装置。

3.根据权利要求2所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述第一全反射面设置为平面、自由曲面、超环面、X和Y方向的曲率半径不同的离轴二次曲面、多项式曲面、X和Y方向的曲率半径及锥度系数均不同的双锥系数曲面或者带有棱镜结构反射面。

4.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光线耦合输入结构包括设置在光学波导片靠近耳朵一侧的侧端部位的耦合输入部和设置在耦合输入部末端的耦合输入面，所述耦合输入面正对着显示装置，所述显示装置输出的图像光线经过耦合输入面后直接投射到光学波导片外侧面的光学反射面。

5.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述第一微结构阵列面的相邻两个V形槽之间的锯齿端部和所述第二微结构阵列面的相邻两个锯齿之间分别设有对光学波导片内全反射传输的图像光线没有反射作用且能够透射光学波导片外侧的真实场景的平面，从而使第一微结构阵列面和第二微结构阵列面组合形成部分反射及部分透射的混合微结构阵列面。

6.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：垂直穿过第一微结构阵列面的V形槽的斜面和第二微结构阵列面的锯齿的斜面的反射光线与经过人眼瞳的垂直光轴的夹角为B，所述第一微结构阵列面的V形槽的另一斜面、第二微结构阵列面的锯齿的另一斜面分别与经过人眼瞳的垂直光轴的夹角为A，其中，两个夹角存在以下关系：A＝B/2。

7.根据权利要求2所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述耦合输入面设置为平面、圆柱面、球面、非球面、自由曲面、混合曲面、斜面、菲涅尔曲面或者带有V槽轮廓的直纹面。

8.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：当所述光学波导片的内侧面和外侧面均设有光学反射面时，所述光学波导片内侧面的光学反射面与光学波导片外侧面的光学反射面平行设置或者非平行设置，两光学反射面为平面、带有弧度的曲面或者自由曲面。

9.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述空气隙的间隔为4～7微米。

10.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述补偿片的折射率高于光学波导片的折射率。

11.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述显示装置设置为至少一片显示屏幕片，所述显示屏幕片的轮廓形状为平板状、圆弧状或者球体状，所述显示屏幕片包括OLED显示器、LCD显示器或者LCOS显示屏。

12.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光线耦合输入结构与显示装置之间设有成像目镜组，所述成像目镜组具有至少一片透镜，所述透镜的面型设置为非球面、球面、菲涅尔面或者二元光学面。

13.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光学波导片与第一微结构阵列面为一体成型结构。

14.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光学波导片和第一微结构阵列面分别为独立结构，所述第一微结构阵列面设置为连接在光学波导片上的一种光学组件。

15.根据权利要求14所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光学组件设置为光学薄膜，所述光学薄膜通过光学胶粘连在光学波导片上。

16.根据权利要求15所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光学胶的折射率和光学波导片的折射率相同。