CN109581669B - 投影光路及头戴显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种投影光路及头戴显示设备，其中投影光路包括：显示模块、波导结构和透镜组件，显示模块用于显示成像，并发射显示成像的成像光束；显示模块发射的成像光束射向波导结构，成像光束在波导结构内部传递时具有非扩瞳方向和扩瞳方向；透镜组件设置于显示模块至波导结构的光路中，透镜组件包括沿成像光束传播方向依次设置的第一透镜组和第二透镜组，第一透镜组具有入光面和出光面，第二透镜组具有入光面和出光面，第一透镜组和第二透镜组的四个光学面中至少两个为非旋转对称面。本发明提供一种投影光路及头戴显示设备，有效避免一维扩瞳波导系统出现视场缺失或者出瞳直径过大，保证整体系统的成像质量。

Description

投影光路及头戴显示设备
技术领域
本发明涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种投影光路及头戴显示设备。
背景技术
增强现实(Augmented Reality)，简称AR，是一种实时地计算摄影机摄像的位置及角度并加上相应的图像技术，在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动，把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息，通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。
在目前的AR头戴显示设备中，波导式AR系统具有结构紧凑，重量轻等优点是AR头戴显示的重要发展方向，在其中的一维扩瞳的波导模组中，扩瞳方向和非扩瞳方向对应的出瞳不一致，在投影系统设计时，按照非扩瞳方向设计易出现渐晕，即视场变暗，甚至出现视场缺失，人眼观察不到，按照扩瞳方向设计易出现出瞳直径过大，导致整体系统的成像质量降低。
发明内容
基于此，针对一维扩瞳的波导模组，按照非扩瞳方向设计易出现视场缺失，按照扩瞳方向设计易出现出瞳直径过大的问题，有必要提供一种投影光路，能够避免出现视场缺失或者出瞳直径过大，保证整体系统的成像质量。
为实现上述目的，本发明提出的投影光路，包括：
显示模块，用于显示成像，并发射显示成像的成像光束；
波导结构，所述显示模块发射的所述成像光束射向所述波导结构，所述成像光束在所述波导结构内部传递时具有非扩瞳方向和扩瞳方向；
透镜组件，所述透镜组件设置于所述显示模块至所述波导结构的光路中，所述透镜组件用于将所述成像光束射向所述波导结构，所述透镜组件包括沿所述成像光束传播方向依次设置的第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组具有入光面和出光面，所述第二透镜组具有入光面和出光面，所述第一透镜组和所述第二透镜组的四个光学面中至少两个为非旋转对称面。
可选地，所述第一透镜组的非扩瞳方向和扩瞳方向对应的焦距不同，所述第二透镜组的非扩瞳方向和扩瞳方向对应的焦距不同。
可选地，所述投影光路还包括设置于所述第二透镜组至所述波导结构光路中的第三透镜组，所述第三透镜组的入光面为非旋转对称面，且/或，所述第三透镜组的出光面为非旋转对称面，所述第三透镜组的非扩瞳方向和扩瞳方向对应的焦距不同。
可选地，所述第一透镜组在非扩瞳方向具有负光焦度，扩瞳方向具有正光焦度，所述第二透镜组在非扩瞳方向具有正光焦度，扩瞳方向具有负光焦度，所述第三透镜组在非扩瞳方向和扩瞳方向均具有正光焦度。
可选地，所述第一透镜组在非扩瞳方向和扩瞳方向均具有正光焦度，所述第二透镜组在非扩瞳方向具有负光焦度，在扩瞳方向具有正光焦度，所述第三透镜组在非扩瞳方向和扩瞳方向均具有正光焦度。
可选地，所述波导结构包括耦入区域和耦出区域，所述耦入区域和所述耦出区域垂直分布，且所述耦入区域处于所述耦出区域竖直上方。
可选地，所述透镜组件出光面水平方向尺寸为X则
X≥L×tan(H°÷2)
其中水平方向视场角度为H°，所述透镜组件出光面至人眼位置距离为L。
可选地，所述波导结构包括耦入区域和耦出区域，所述耦入区域和所述耦出区域水平分布。
可选地，所述透镜组件出光面竖直方向尺寸为Y，则
Y≥L×tan(V°÷2)
其中垂直方向视场角度为V°，所述透镜组件出光面至人眼位置距离为L。
本发明还提供一种头戴显示设备，包括上面所述的投影光路，还包括外壳，其中所述显示模块、所述波导结构以及所述透镜组件均设置于所述外壳内。
本发明提出的技术方案中，显示模块发射的成像光束经透镜组件射向波导结构，所述透镜组件包括第一透镜组和第二透镜组，其中第一透镜组以及第二透镜组的入光面或出光面为非旋转对称面，通过非旋转对称面调整非扩瞳方向的焦距，使非扩瞳方向的成像光束，成像于人眼位置，避免了出现视场缺失或者出瞳成像直径过大，有效保证整体系统的成像质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或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，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明投影光路一实施例的非扩瞳方向光路结构示意图；
图2为图1中本发明投影光路的扩瞳方向光路结构示意图；
图3为本发明投影光路另一实施例的非扩瞳方向光路结构示意图；
图4为图3中本发明投影光路的扩瞳方向光路结构示意图；
图5为本发明投影光路的波导结构一实施例的结构示意图；
图6为图5本发明投影光路中的波导结构正面视角的结构示意图；
图7为图5本发明投影光路侧视状态的部分尺寸示意图；
图8为本发明投影光路的波导结构另一实施例的结构示意图；
图9为图8中本发明投影光路的波导结构正面视角的结构示意图；
图10为图8中本发明投影光路俯视状态的部分尺寸示意图；
图11为图1中本发明投影光路的第一透镜组的结构示意图；
图12为图1中本发明投影光路的第一透镜组的结构另一视角示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
100 显示模块 230 第三透镜组
110 成像光束 300 波导结构
200 透镜组件 310 耦入区域
210 第一透镜组 320 耦出区域
220 第二透镜组 400 人眼
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参阅图1和图2，本发明提出的投影光路，包括：显示模块100、波导结构300和透镜组件200。
显示模块100用于显示成像，并发射显示成像的成像光束110；
显示模块100发射的成像光束110射向波导结构300，成像光束110在波导结构300内部传递时具有非扩瞳方向和扩瞳方向；
透镜组件200设置于显示模块100至波导结构300的光路中，透镜组件200用于将成像光束110射向波导结构300，透镜组件200包括沿成像光束110传播方向依次设置的第一透镜组210和第二透镜组220，第一透镜组210具有入光面和出光面，第二透镜组220具有入光面和出光面，第一透镜组210和第二透镜组220的四个光学面中至少两个为非旋转对称面。
具体地，非旋转对称面为在子午方向和弧矢方向分别轴对称，即子午方向和弧矢方向的面型不一致，所述透镜组件200于光轴旋转180°和原来外形结构相同，例如非旋转对称面为超环面、变形非球面、扩展多项式面、泽尼克多项式面以及切比雪夫多项式面等，此外显示模块为LCD(Liquid Crystal Display)液晶显示或者OLED(Organic Light-Emitting Diode)有机发光二极管等自发光的显示器件，显示模块100也可以为LCOS(Liquid Crystal on Silicon)反射式液晶投影显示器件。
本发明提出的技术方案中，显示模块100发射的成像光束110经透镜组件200射向波导结构300，所述透镜组件200包括第一透镜组210和第二透镜组220，其中第一透镜组210以及第二透镜组220的入光面或出光面为非旋转对称面，通过非旋转对称面调整非扩瞳方向的焦距，使非扩瞳方向的成像光束，出瞳位于人眼400位置，避免了出现视场缺失或者出瞳成像直径过大，有效保证整体系统的成像质量。
除此之外，本发明提出的技术方案避免采用光阑设计来控制非扩瞳方向的成像位置，由于光阑本身能够遮挡光线，通过避免光阑设计能够增加投影光路的光线传递效率，且显示模块100为LCD或者OLED显示时，具有相对较大的发散角，相比旋转对称透镜具有更好的适应性。
进一步地，第一透镜组210的非扩瞳方向和扩瞳方向对应的焦距不同，第二透镜组220的非扩瞳方向和扩瞳方向对应的焦距不同。具体地，所述投影光路中具有相互垂直的子午方向和弧矢方向坐标，子午方向与非扩瞳方向或扩瞳方向之一相同，弧矢方向与剩余方向相同，进一步地通过调整第一透镜组210的非扩瞳方向的焦距以及第二透镜组220的非扩瞳方向的焦距，使透镜组件200在非扩瞳方向的出瞳坐落在人眼位置。
作为一种优选方式，所述投影光路还包括设置于第二透镜组220至波导结构300光路中的第三透镜组230，第三透镜组230的入光面为非旋转对称面，且/或，第三透镜组230的出光面为非旋转对称面，，第三透镜组230的非扩瞳方向和扩瞳方向对应的焦距不同，如此通过进一步调整第三透镜组230在非扩瞳方向对应的焦距，平衡第一透镜组210和第二透镜组220在非扩瞳方向的焦距，保证透镜组件200在非扩瞳方向的整体焦距，保证在非扩瞳方向的出瞳坐落在人眼位置。其中第一透镜组210、第二透镜组220和第三透镜组230中包括一片或多片光学透镜。
参阅图11和图12，在其中一个实施例中，第一透镜组210在非扩瞳方向具有负光焦度，扩瞳方向具有正光焦度，第二透镜组220在非扩瞳方向具有正光焦度，扩瞳方向具有负光焦度，第三透镜组230在非扩瞳方向和扩瞳方向均具有正光焦度，如此保证透镜组件200在非扩瞳方向和扩瞳方向的成像在人眼位置。
参阅图3和图4，在另一实施例中，第一透镜组210在非扩瞳方向和扩瞳方向均具有正光焦度，第二透镜组220在非扩瞳方向具有负光焦度，在扩瞳方向具有正光焦度，第三透镜组230在非扩瞳方向和扩瞳方向均具有正光焦度，如此保证透镜组件200在非扩瞳方向和扩瞳方向的出瞳坐落在人眼位置，其中第一透镜组210在扩瞳方向和非扩瞳方向均能够会聚光线，因此沿光路传播方向，能够有效减小第一透镜组210之后的光学元件尺寸，如此能够进一步减小投影光路的直径，便于头戴显示设备小型化。
参阅图5-图7，作为一种优选方式，波导结构300包括耦入区域310和耦出区域320，耦入区域310和耦出区域320垂直分布，且耦入区域310处于耦出区域320竖直上方，其中耦入区域310为成像光束110入射波导结构300的射入区域，耦出区域320为成像光束110出射波导结构300的出射区域，其中H代表水平方向，V代表垂直方向，这种结构的透镜组件200的扩瞳方向为垂直方向V，非扩瞳方向为水平方向H，按照人眼观看的习惯，水平视场大于垂直视场，因此透镜组件200水平方向尺寸大于垂直方向尺寸。
具体地，透镜组件200出光面水平方向尺寸为X则
X≥L×tan(H°÷2)
其中水平方向视场角度为H°，透镜组件200出光面至人眼400位置距离为L，由此计算得出透镜组件200出光面水平方向尺寸为X。
参阅图8-图10，作为一种优选方式，波导结构300包括耦入区域310和耦出区域320，耦入区域310和耦出区域320水平分布，其中耦入区域310为成像光束110入射波导结构300的射入区域，耦出区域320为成像光束110出射波导结构300的出射区域，其中H代表水平方向，V代表垂直方向。
具体地，透镜组件200出光面竖直方向尺寸为Y，则
Y≥L×tan(V°÷2)
其中垂直方向V的视场角度为V°，透镜组件200出光面至人眼位置距离为L，由此计算得出透镜组件200出光面竖直方向尺寸为Y，佩戴具有投影光路的虚拟显示设备时，定义靠近耳朵方向为外侧，靠近鼻子方向为内侧，则耦入区域310设置在外侧，耦出区域320设置在内侧，这种结构的透镜组件200的扩瞳方向为水平方向H，非扩瞳方向为垂直方向V，由于水平方向H为扩瞳方向，因此对透镜组件200水平方向尺寸无要求。
本发明还提供一种头戴显示设备，包括上面的投影光路，还包括外壳(图未示)，其中显示模块100、波导结构300以及透镜组件200均设置于外壳内，所述头戴显示设备的显示模块100发射的成像光束110，成像光束110经透镜组件200射向波导结构300，所述透镜组件200包括第一透镜组210和第二透镜组220，其中第一透镜组210以及第二透镜组220的入光面或出光面为非旋转对称面，通过非旋转对称面调整非扩瞳方向的焦距，使非扩瞳方向的成像光束，出瞳位于人眼400位置，避免了出现视场缺失或者出瞳成像直径过大，有效保证整体系统的成像质量。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种投影光路，其特征在于，应用于一维扩瞳，包括：
显示模块，用于显示成像，并发射显示成像的成像光束；
波导结构，所述显示模块发射的所述成像光束射向所述波导结构，所述成像光束在所述波导结构内部传递时具有非扩瞳方向和扩瞳方向；
透镜组件，所述透镜组件设置于所述显示模块至所述波导结构的光路中，所述透镜组件用于将所述成像光束射向所述波导结构，所述透镜组件包括沿所述成像光束传播方向依次设置的第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组具有入光面和出光面，所述第二透镜组具有入光面和出光面，所述第一透镜组和所述第二透镜组的四个光学面中至少两个为非旋转对称面；
所述第一透镜组的非扩瞳方向和扩瞳方向对应的焦距不同，所述第二透镜组的非扩瞳方向和扩瞳方向对应的焦距不同。
2.如权利要求1所述的投影光路，其特征在于，所述投影光路还包括设置于所述第二透镜组至所述波导结构光路中的第三透镜组，所述第三透镜组的入光面为非旋转对称面，且/或，所述第三透镜组的出光面为非旋转对称面，所述第三透镜组的非扩瞳方向和扩瞳方向对应的焦距不同。
3.如权利要求2所述的投影光路，其特征在于，所述第一透镜组在非扩瞳方向具有负光焦度，扩瞳方向具有正光焦度，所述第二透镜组在非扩瞳方向具有正光焦度，扩瞳方向具有负光焦度，所述第三透镜组在非扩瞳方向和扩瞳方向均具有正光焦度。
4.如权利要求2所述的投影光路，其特征在于，所述第一透镜组在非扩瞳方向和扩瞳方向均具有正光焦度，所述第二透镜组在非扩瞳方向具有负光焦度，在扩瞳方向具有正光焦度，所述第三透镜组在非扩瞳方向和扩瞳方向均具有正光焦度。
5.如权利要求1所述的投影光路，其特征在于，所述波导结构包括耦入区域和耦出区域，所述耦入区域和所述耦出区域垂直分布，且所述耦入区域处于所述耦出区域竖直上方。
6.如权利要求5所述的投影光路，其特征在于，所述透镜组件出光面水平方向尺寸为X则
X≥L×tan(H°÷2)
其中水平方向视场角度为H°，所述透镜组件出光面至人眼位置距离为L。
7.如权利要求1所述的投影光路，其特征在于，所述波导结构包括耦入区域和耦出区域，所述耦入区域和所述耦出区域水平分布。
8.如权利要求6所述的投影光路，其特征在于，所述透镜组件出光面竖直方向尺寸为Y，则
Y≥L×tan(V°÷2)
其中垂直方向视场角度为V°，所述透镜组件出光面至人眼位置距离为L。
9.一种头戴显示设备，包括权利要求1-8任意所述的投影光路，其特征在于，包括外壳，其中所述显示模块、所述波导结构以及所述透镜组件均设置于所述外壳内。
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