CN209858858U

CN209858858U - 投影光路及头戴显示设备

Info

Publication number: CN209858858U
Application number: CN201920896590.9U
Authority: CN
Inventors: 张楠楠; 史柴源; 杜凯凯
Original assignee: Goertek Techology Co Ltd
Current assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2019-06-13
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2019-12-27
Anticipated expiration: 2029-06-13

Abstract

本实用新型公开了一种投影光路及头戴显示设备，该投影光路包括透明显示器，所述透明显示器用于显示图像，并发射显示图像的图像光束；透镜组，所述透镜组设置于所述透明显示器至人眼的光路中，所述透镜组用于将所述透明显示器的显示图像成虚像在人眼面前；补偿镜组，所述补偿镜组设置于所述透明显示器背离所述透镜组的一侧，且位于实物至人眼的光路中，所述补偿镜组用于消除实物透过所述透镜组和所述透明显示器后的图像畸变。本实用新型提出的投影光路及头戴显示设备能够实现高光效增强现实。

Description

投影光路及头戴显示设备

技术领域

本实用新型涉及虚拟现实头戴显示技术领域，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。

现有的全息波导AR方案包括微投影设备、全息光栅两大部分，如图1所示，图像从微投影设备中投影出来，进入到波导结构中，入射光线被耦入光栅衍射发生角度偏折，当光线传播角度大于全反射角度时，光线会在波导结构中继续传播到达耦出光栅，最后经过耦出光栅衍射到人眼面前成像。

在全息波导AR方案中，为了实现扩瞳效果，耦出光栅一般比耦入光栅尺寸要大很多，由于光线在经过耦出光栅后一部分光会被衍射出波导结构，另一部分光会继续往前传播，再次遇到耦出光栅时，部分光衍射耦出波导结构，剩下的继续往前传播，直到不再遇到耦出光栅。因此，如果耦出光栅在不同区域的光栅衍射效率保持不变，人眼观看到的图像亮度就会不均匀，用户体验效果大打折扣。为了保证在耦出到人眼的效率相同，耦出光栅甚至扩展光栅会进行不断优化，这也会导致光波导结构的光能利用率降低；为了保证用户有良好的体验效果，全息波导AR方案对微投影设备的亮度要求会很高，大大增加了微投影设备的设计难度和成本。

实用新型内容

为了克服上述全息波导AR方案的技术缺陷，本实用新型的主要目的是提供一种投影光路及头戴显示设备，能够实现高光效增强现实。

为实现上述目的，本实用新型提出的投影光路包括透明显示器，所述透明显示器用于显示图像，并发射显示图像的图像光束；透镜组，所述透镜组设置于所述透明显示器至人眼的光路中，所述透镜组用于将所述透明显示器的显示图像成虚像在人眼面前；补偿镜组，所述补偿镜组设置于所述透明显示器背离所述透镜组的一侧，且位于实物至人眼的光路中，所述补偿镜组用于消除实物透过所述透镜组和所述透明显示器后的图像畸变。

可选地，所述透镜组具有第一入光面和第一出光面，所述补偿镜组具有第二入光面和第二出光面；所述第一入光面、所述第一出光面、所述第二入光面以及所述第二出光面都为非球面。

可选地，所述第一入光面、所述第一出光面、所述第二入光面以及所述第二出光面光焦度都为正值。

可选地，所述第一入光面与所述第一出光面的光焦度范围都为大于0且小于0.1；所述第二入光面的光焦度范围为大于0且小于0.1，所述第二出光面的光焦度范围为大于4E+016且小于5E+016。

可选地，所述透镜组与所述补偿镜组的折射率范围都为大于1.45且小于1.6。

可选地，所述透镜组与所述补偿镜组的色散范围都为大于50且小于75。

可选地，所述透镜组到所述透明显示器的距离范围为大于10mm且小于40mm；所述补偿镜组到所述透明显示器的距离范围为大于10mm且小于40mm。

可选地，所述透镜组与所述补偿镜组的厚度范围都为大于2mm且小于8mm。

可选地，所述透镜组到人眼的距离范围为大于14mm。

本实用新型还提供一种头戴显示设备，包括上任意一项所述的投影光路，还包括外壳，其中所述透镜组、所述透明显示屏以及所述补偿镜组均设置于所述外壳内。

本实用新型提出技术方案中，所述透镜组设置于所述透明显示器至人眼的光路中，所述透明显示器发射的图像光束经过所述透镜组成虚像在人眼面前；所述补偿镜组设置于所述透明显示器背离所述透镜组的一侧，实物透过所述透明显示器与所述透镜组直接被人眼观察到，所述补偿镜组能够消除所述透明显示器与所述透镜组对实物在人眼中成像的畸变，使实物图像到达人眼时的体积、形状、颜色等均不发生变化，提高光能利用率，实现高光效增强现实。

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为现有技术中全息波导AR方案的光学结构示意图；

图2为本实用新型投影光路的光学结构示意图；

图3为本实用新型投影光路一实施例的AR虚像光路图；

图4为本实用新型投影光路一实施例的人眼观察实物的光路图；

图5为本实用新型投影光路一实施例的点列图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	微投影设备	60	透镜组
20	波导结构	61	第一入光面
				21	耦入光栅	62	第一出光面
22	耦出光栅	70	补偿镜组
				30	人眼	71	第二入光面
40	实物	72	第二出光面
				50	透明显示器

本实用新型目的的实现、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的一部分实施例，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。

需要说明，本实用新型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，在本实用新型中如涉及“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。在本实用新型的描述中，“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。

在本实用新型中，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实用新型中的具体含义。

另外，本实用新型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，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出一种投影光路。

请参阅图2，在本实用新型实施例中，该投影光路包括透明显示器50，所述透明显示器50用于显示图像，并发射显示图像的图像光束；透镜组60，所述透镜组60设置于所述透明显示器50至人眼30的光路中，所述透镜组60用于将所述透明显示器50的显示图像成虚像在人眼30面前；补偿镜组70，所述补偿镜组70设置于所述透明显示器50背离所述透镜组60的一侧，且位于实物40至人眼30的光路中，所述补偿镜组70用于消除实物40透过所述透镜组60和所述透明显示器50后的图像畸变。

具体地，所述透明显示器50为LCD(Liquid Crystal Display)液晶显示器或者LED(Light-Emitting Diode)显示器或者OLED(Organic Light-Emitting Diode)显示器或者Micro-LED或者Micro-OLED等透明的显示器。使用透明的显示器，人眼30可以直接观察到现实环境光路。

请参阅图1，在现有的全息波导AR方案中，其包括微投影设备10、全息光栅两大部分，图像从微投影设备10中投影出来，进入到波导结构20中，入射光线被耦入光栅21衍射发生角度偏折，当光线传播角度大于全反射角度时，光线会在波导结构20中继续传播到达耦出光栅22，最后经过耦出光栅22衍射到人眼30面前成像。为了实现扩瞳效果，耦出光栅22一般比耦入光栅21尺寸要大很多，由于光线在经过耦出光栅22后一部分光会被衍射出波导结构20，另一部分光会继续往前传播，再次遇到耦出光栅22时，部分光衍射耦出波导结构20，剩下的继续往前传播，直到不再遇到耦出光栅22。因此，如果耦出光栅22在不同区域的光栅衍射效率保持不变，人眼30观看到的图像亮度就会不均匀，用户体验效果大打折扣。为了保证在耦出到人眼30的效率相同，耦出光栅22甚至扩展光栅会进行不断优化，这也会导致光波导结构的光能利用率降低；为了保证用户有良好的体验效果，全息波导AR方案对微投影设备10的亮度要求会很高，大大增加了微投影设备10的设计难度和成本。

而本实用新型提出技术方案中，将所述透镜组60设置于所述透明显示器50至人眼30的光路中，所述透明显示器50发射的图像光束经过所述透镜组60成虚像在人眼30面前，在具体实施例中，所述透镜组60可以将所述透明显示器50的显示图像成虚像与1.5米之外；所述补偿镜组70设置于所述透明显示器50背离所述透镜组60的一侧，实物40透过所述透明显示器50与所述透镜组60直接被人眼30观察到，所述补偿镜组70能够消除所述透明显示器50与所述透镜组60对实物40在人眼30中成像的畸变，使实物40图像到达人眼30时的体积、形状、颜色等均不发生变化，提高光能利用率，实现高光效增强现实。

另外，在现有的全息波导AR方案中，因为光线需要在波导结构20基底中发生全反射，对于AR产品来说，可以实现的最大FOV(Field of View)视场角直接受波导结构20基底材料的折射率限制，当玻璃基底支持全反射角范围足够大时，光栅本身支持的衍射角带宽也会成为大视场角显示的限制因素。目前玻璃基底的折射率最大可以达到1.9，也就意味着现有全息波导AR方案在FOV最大可以达到对角线50°左右。

本实用新型提出的投影光路，采用透镜组60成像方案和透明显示器50应用在AR光学方案中，在保证AR基本FOV的情况下，不存在全息波导结构效率低的问题。

请参阅图3和图4，作为一种优选方式，在本实用新型一实施例中，其FOV为42°，具体地，请参阅图3，图3为AR虚像光路图，图4为人眼30观察实物40的光路图；所述透明显示器50发出来的光经过所述透镜组60后成像到人眼30；所述透镜组60具有第一入光面61和第一出光面62，所述补偿镜组70具有第二入光面71和第二出光面72；所述第一入光面61、所述第一出光面62、所述第二入光面71以及所述第二出光面72都为非球面。传统的球面镜周边看物体有扭曲的现象，会限制配戴者的视野，非球面设计将镜片边缘像差减到最低，能够修正影像，解决视界歪曲等问题，同时，使镜片更轻、更薄、更平，使它宽阔视野可以满足使用者的需求。

可选地，所述第一入光面61和所述第一出光面62的光焦度都为正值。在具体实施例中，所述第一入光面61与所述第一出光面62的光焦度范围都为大于0且小于0.1。

可选地，所述第二入光面71和所述第二出光面72的光焦度都为正值。在具体实施例中，所述第二入光面71的光焦度范围为大于0且小于0.1，所述第二出光面72的光焦度范围为大于4E+016且小于5E+016。

在一些可选的实施方式中，为了保证低成本，所述透镜组60和所述补偿镜组70均采用光学塑料，具体的，光学塑料相比于光学玻璃，具有良好的可塑成型工艺特性、重量轻、成本低廉等优点，因此能够有效地降低所述补偿镜组70的尺寸与成本。

优选实施方式中，所述透镜组60的折射率范围为大于1.45且小于1.6，所述透镜组60的色散范围为大于50且小于75；所述透镜组60到所述透明显示器50的距离范围为大于10mm且小于40mm。

所述补偿镜组70的折射率范围为大于1.45且小于1.6，所述透镜组60的色散范围为大于50且小于75；所述透镜组60到所述透明显示器50的距离范围为大于10mm且小于40mm。

在一些可选的实施方式中，所述透镜组60为单个透镜，该透镜的厚度范围为大于2mm且小于8mm。所述补偿镜组70为单个镜片，该镜片的厚度范围为大于2mm且小于8mm。

在实际使用时，为满足使用者戴眼镜需求，所述透镜组60到人眼30的距离范围为大于14mm。

请参照图5，图5为上述实施例的点列图，其中点列图是指由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，用于评价所述投影光学系统的成像质量。在上述实施例中，所述点列图中所有的视场均方根半径值(RMS RADIUS)在20μm内，保证了良好的成像质量。

本实用新型还提出一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括如上述任一实施方式所述的投影光路，该投影光路的具体结构参照上述实施例，由于该头戴显示设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的构思下，利用本实用新型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实用新型的专利保护范围内。

Claims

1.一种投影光路，其特征在于，包括

透明显示器，所述透明显示器用于显示图像，并发射显示图像的图像光束；

透镜组，所述透镜组设置于所述透明显示器至人眼的光路中，所述透镜组用于将所述透明显示器的显示图像成虚像在人眼面前；

补偿镜组，所述补偿镜组设置于所述透明显示器背离所述透镜组的一侧，且位于实物至人眼的光路中，所述补偿镜组用于消除实物透过所述透镜组和所述透明显示器后的图像畸变。

2.如权利要求1所述的投影光路，其特征在于，所述透镜组具有第一入光面和第一出光面，所述补偿镜组具有第二入光面和第二出光面；所述第一入光面、所述第一出光面、所述第二入光面以及所述第二出光面都为非球面。

3.如权利要求2所述的投影光路，其特征在于，所述第一入光面、所述第一出光面、所述第二入光面以及所述第二出光面光焦度都为正值。

4.如权利要求3所述的投影光路，其特征在于，所述第一入光面与所述第一出光面的光焦度范围都为大于0且小于0.1；所述第二入光面的光焦度范围为大于0且小于0.1，所述第二出光面的光焦度范围为大于4E+016且小于5E+016。

5.如权利要求4所述的投影光路，其特征在于，所述透镜组与所述补偿镜组的折射率范围都为大于1.45且小于1.6。

6.如权利要求5所述的投影光路，其特征在于，所述透镜组与所述补偿镜组的色散范围都为大于50且小于75。

7.如权利要求6所述的投影光路，其特征在于，所述透镜组到所述透明显示器的距离范围为大于10mm且小于40mm；所述补偿镜组到所述透明显示器的距离范围为大于10mm且小于40mm。

8.如权利要求7所述的投影光路，其特征在于，所述透镜组与所述补偿镜组的厚度范围都为大于2mm且小于8mm。

9.如权利要求8所述的投影光路，其特征在于，所述透镜组到人眼的距离范围为大于14mm。

10.一种头戴显示设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的投影光路。