CN203433193U - 头戴显示光学系统及头戴显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种头戴显示光学系统，包括图像显示器、折衍透镜及平面反射式衍射元件，其中：所述折衍透镜为具有至少两层结构的多层衍射光学元件或折射透镜；所述平面反射式衍射元件为反射式变栅距平面衍射光栅；图像显示器发出的光经折衍透镜衍射后，再经平面反射式衍射元件发生反射式衍射后进入人眼。相应的，本实用新型还公开了一种头戴显示装置，由于采用具有至少两层结构的多层衍射光学元件作为折衍透镜，可有效提高宽光谱衍射效率，满足HMD显示器的大视场角要求；而采用反射式变栅距平面衍射光栅作为反射面，可有有效消除像差像散，满足用户对HMD舒适度、清晰度等方面的需求，提高HMD的可用性。

Description

头戴显示光学系统及头戴显示装置

技术领域

本实用新型涉及可穿戴计算头戴显示设备领域，尤其涉及一种头戴显示光学系统及头戴显示装置。 

背景技术

头戴显示器（HMD，Head mounted display）又称抬头显示器(HUD，Head up display)，是一种至少包含一个微型显示器件（像源系统）、相应的光学系统、以及支持结构（支持系统）的近眼显示装置。视透式HMD具有其特殊的人机交互特性，能够结合增强现实技术，广泛应用于科研、军事、工业、游戏、视频、教育、仿真等各个领域。光学系统在HMD中起着关键性作用，如果光学系统不能很好的消除像差、像散，用户看到的将会是扭曲和不清晰的图像。由于HMD技术发展还处于摸索期，现有HMD的光学系统，大部分都多少存在一定的像差像散问题，另外现有光学系统在宽光谱情况下衍射效率普遍较低，不能满足HMD显示器的大视场角要求。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种头戴显示光学系统及头戴显示装置，解决现有HMD光学系统在宽光谱情况下衍射效率低，且像差、像散严重的问题，可有效提高宽光谱衍射效率，有效消除像差像散。 

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种头戴显示光学系统，包括图像显示器、折衍透镜及平面反射式衍射元件，其中： 

所述折衍透镜为具有至少两层结构的多层衍射光学元件； 

所述平面反射式衍射元件为反射式变栅距平面衍射光栅； 

图像显示器发出的光经折衍透镜衍射后，再经平面反射式衍射元件发生反射式衍射后进入人眼。 

其中，所述折衍透镜的入射面为球面或非球面折射面，承担部分光焦度，其出射面表面刻有等栅距平面光栅。 

其中，所述折衍透镜中的各层衍射光学元件材质互不相同，材质互不相同 指材料的色散系数不同。 

其中，所述图像显示器为LCD显示器、OLED显示器、LCoS显示器中的一种。 

相应的，本实用新型还提供了一种头戴显示光学系统，包括图像显示器、折射透镜及平面反射式衍射元件，其中： 

所述折射透镜为球面透镜或非球面透镜或自由曲面透镜； 

所述平面反射式衍射元件为反射式变栅距平面衍射光栅； 

图像显示器发出的光经折射透镜折射后，再经平面反射式衍射元件发生反射式衍射后进入人眼。 

优选的，所述折衍透镜的入射面和出射面均镀有增透膜。 

优选的，所述平面反射式衍射元件光栅面镀有增透膜。 

相应的，本实用新型还提供了一种头戴显示装置，所述头戴显示装置包括前述的头戴显示光学系统。 

本实用新型头戴显示光学系统采用具有至少两层结构的多层衍射光学元件作为折衍透镜，可有效提高宽光谱衍射效率，满足HMD显示器的大视场角要求；另外本实用新型采用反射式变栅距平面衍射光栅作为反射面，可有有效消除像差像散，满足用户对HMD舒适度、清晰度等方面的需求，提高HMD的可用性。 

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图： 

图1为本实用新型实施例头戴显示光学系统结构示意图； 

图2为图1中折衍透镜为双层结构衍射光学元件时的结构示意图； 

图3为图1中折衍透镜的三层结构衍射光学元件时的结构示意图； 

图4为本实用新型另一实施例头戴显示光学系统结构示意图； 

图中标记：1-图像显示器，2-折衍透镜，3-平面反射式衍射元件,4-折射透镜。 

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。 

本实用新型头戴显示光学系统设计时采用衍射光学元件，由于衍射光学元件独特的色散特性与聚焦特性，可以简化传统的光学系统结构，减小光学系统尺寸和重量，降低系统设计难度，获得接近衍射极限的成像质量。 

参见图1，为本实用新型实施例头戴显示光学系统结构示意图，所述头戴显示光学系统包括图像显示器1、折衍透镜2及平面反射式衍射元件3。图像显示器1可以是LCD或OLED或LCos；折衍透镜2为具有至少两层结构的多层衍射光学元件，所述折衍透镜2中的各层衍射光学元件材质互不相同，材质互不相同指材料的色散系数不同；所述平面反射式衍射元件3为反射式变栅距平面衍射光栅。本光学系统的光路为：图像显示器1发出的光经折衍透镜2衍射后，再经平面反射式衍射元件3发生反射式衍射后进入人眼。 

本实用新型实施例中，折衍透镜2为具有至少两层结构的多层衍射光学元件，由于每层结构的材质不同，从理论上说，层数越多越可能使设计波段内的各波长的衍射效率达到较高的衍射率。参见图2、图3分别为双层结构和三层结构折衍透镜的示意图，由于三层以上与双层原理基本一致，因此下面以图2为例介绍折衍透镜。 

参见图2，为图1中折衍透镜2为双层结构衍射光学元件时的结构示意图，包括第一层结构21与第二层结构22，第一层结构21与第二层结构22为不同色散系数的材料。所述折衍透镜2的入射面211为球面或非球面折射面，承担部分光焦度，优选实施例中，折衍透镜2的出射面表面还刻有等栅距平面光栅，用于更好的消除像散。入射面指图像显示器1发出的光射入折衍透镜2时接触的第一光学表面，出射面指图像显示器1发出的光射入折衍透镜2后，最终从折衍透镜2射出的最后一光学表面。本领域技术人员应知：光学表面包括：球面、非球面和自由曲面，非球面不是否定词，是一个技术术语。 

本实用新型实施例中平面反射式衍射元件3，采用反射式变栅距平面衍射光栅而非现有技术常用的等栅距凹面光栅，是因为：等栅距凹面光栅在子午面内和弧矢面内的聚焦成像条件一般不能同时满足，因此像散是子午焦线与弧矢焦线相分离而产生的一种像差，特别是在大衍射角的条件下像差尤为明显，因此等栅距凹面光栅虽然具有自聚焦的特点，但其像散明显，应用于HMD光学系统不合适。而反射式变栅距平面衍射光栅具有自动聚焦、消像差等特性，因为变栅距光栅栅距的变化使得对于同一波长的入射光在光栅的不同栅距处所产生的衍射角不同，衍射光出现自动聚焦，而且变栅距光栅的栅距变化会改变子午光线焦点的位置，通过改变光栅栅距的变化规律可达到消除像散的目的。 

另外，平面反射式衍射元件3之所以选择平面式，而非凹面式，是因为：如果反射面是凹面，环境光经凹反射面折射进入人眼，将发生光的弯曲，此时人眼所看的外界环境将会有一定程度的变形；而平面反射式变栅距衍射元件，对外界环境入射光不会发生光线弯曲效果，人眼看到的是没有变形的外界景物，能最大程度的满足用户对HMD舒适度、清晰度等方面的需求，降低了HMD使用时对眼睛造成的疲劳感，极大的提高了HMD的可用性。 

本实用新型实施例中折衍透镜2采用具有至少两层结构的多层衍射光学元件，而非单层衍射光学元件，是因为：单层衍射光学元件通常是针对固定波长（窄光谱）设计的，而图像显示器发出的光谱为宽光谱（一般为可见光波段）。 

单层衍射光学元件理论上设计波长光波的衍射效率可以达到100%，随着波长相对设计波长向两侧偏离衍射效率逐渐下降，以可见光波段0.4-0.8um为例，两端波长光波设计级次上的衍射效率下降到70%以下，其他非设计级次的衍射光增强且在像平面上形成背景光，影响成像质量和对比度，同时由于各波长光强之间比例发生变化，所获得的图像的色调也会发生改变。 

相较于单层衍射光学元件，多层衍射光学元件可通过改变衍射微结构界面高度的分布以及多种具有不同色散系数的材料相匹配，使得各个波长的入射光绝大部分能量能够衍射到设计级次上，并且能够实现设计波段内多个设计波长光波的精确闪耀，提高整个设计波段的衍射效率，降低非设计级次衍射杂散光对系统性能的影响。对于0.4-0.8um可见光波段，多层衍射光学元件的理论衍射效率可达到95%以上；另外当入射角（半视场）为20°，元件的衍射效率理论上大于98%，当入射角（半视场）为40°，元件的衍射效率理论上 大于80%，能完全满足HMD显示器的大视场角要求。 

参见图4，为本实用新型另一实施例头戴显示光学系统种结构示意图，本实施例结构与图1结构区别在于：本实施例将图1中的折衍透镜2替换为了折射透镜4，所述折射透镜4可以为球面透镜、非球面透镜或自由曲面透镜，所述折射透镜4可以为单透镜也可以为组合透镜租。为了增加光的透射率，折射透镜4的前后两面（入射面和出射面）均可镀增透膜，平面反射式衍射元件3的光栅面也可镀增透膜。 

相应的，本实用新型还提供了一种头戴显示装置，所述头戴显示装置包括前述的头戴显示光学系统。 

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。 

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。 

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。 

Claims (9)

1.一种头戴显示光学系统，其特征在于，包括图像显示器、折衍透镜及平面反射式衍射元件，其中： 

所述折衍透镜为具有至少两层结构的多层衍射光学元件； 

所述平面反射式衍射元件为反射式变栅距平面衍射光栅； 

图像显示器发出的光经折衍透镜衍射后，再经平面反射式衍射元件发生反射式衍射后进入人眼。 

2.如权利要求1所述的头戴显示光学系统，其特征在于，所述折衍透镜的入射面为球面或非球面折射面，承担部分光焦度，其出射面表面刻有等栅距平面光栅。 

3.如权利要求1或2所述的头戴显示光学系统，其特征在于，所述折衍透镜中的各层衍射光学元件材质互不相同。 

4.如权利要求1或2所述的头戴显示光学系统，其特征在于，所述图像显示器为LCD显示器、OLED显示器、LCoS显示器中的一种。 

5.一种头戴显示装置，其特征在于，所述头戴显示装置包括权利要求1至4中任一项所述的头戴显示光学系统。 

6.一种头戴显示光学系统，其特征在于，包括图像显示器、折射透镜及平面反射式衍射元件，其中： 

所述折射透镜为球面透镜或非球面透镜或自由曲面透镜； 

所述平面反射式衍射元件为反射式变栅距平面衍射光栅； 

图像显示器发出的光经折射透镜折射后，再经平面反射式衍射元件发生反射式衍射后进入人眼。 

7.如权利要求6所述的头戴显示光学系统，其特征在于，所述折射透镜的入射面和出射面均镀有增透膜。 

8.如权利要求6或7所述的头戴显示光学系统，其特征在于，所述平面反射式衍射元件光栅面镀有增透膜。 

9.一种头戴显示装置，其特征在于，所述头戴显示装置包括权利要求6至8中任一项所述的头戴显示光学系统。 

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