[发明专利]一种投影式平面波导头盔显示器

说明书

技术领域

本发明涉及增强现实和虚拟现实领域，具体地涉及一种投影式的平面波导 头盔显示器。

背景技术

用于虚拟现实和增强现实的头盔图像显示系统是近些年来显示领域中的热 门产品，广泛应用在娱乐、科学研究、医疗、军事、教育等诸多领域，为了生 成高沉浸感的图形图像系统，头盔显示装置需要能够提供大视场的景象，同时 它也需要结构紧凑、重量轻，以减轻用户颈部的疲劳感。

图1是由J.Fergason提出，后来H.Hua和J.Rolland的一种投影式头盔显示 器结构示意图，由微型显示器发出的光线经过投影光学系统的成像后透过人眼 前的半透半反镜片反射到返射型投影屏幕，返射型投影屏幕表面由微小角锥棱 镜或者微型圆珠构成，对于微小角锥棱镜结构，光线可以在角锥内经过三次反 射后沿着原光路的反方向返回，对于微型圆珠，光线进入微型圆珠聚焦到一点， 在该点处进行反射，反射后光线沿着原光路的反方向返回。微型显示器件发出 的光波按照上述过程经过投影光学系统和半透半反镜片，到达返射型投影屏幕 后每一条光线按照原光路返回，又透过半透半反镜片进入人眼，从而使得人眼 看到图像。

这种形式结构简单，且能够在一定程度上实现大视场，但是其最大视场受 到半透半反镜片的体积严重限制，如果需要获得很大视场角的投影式头盔显示 系统，人眼前的半透半反镜的视轴方向的厚度一定很大，这样会增加人眼前光 学系统的体积，增加人的不舒适感。

而且这种形式还有一个重要的缺点就是整个头盔显示器相对于人眼的出瞳 大小需要等于投影光学系统的出瞳大小，如果投影式头盔显示器的出瞳要求很 大，为投影光学系统的设计增加了难度。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种投影式的平面波导头盔显示器，解决了 现有头盔显示器体积大的问题。

一种投影式平面波导头盔显示器，包括微型显示器件、投影光学系统、平 面波导和返射型投影屏幕，所述平面波导内部设有光学耦入端和光学耦出端；

所述微型显示器发出的光线经过投影光学系统成像后，透射进入平面波导 的光学耦入端；

所述光学耦入端将接收到的光线进行反射，使被反射的光线在平面波导的 两个反射面之间多次全反射后传输至平面波导的光学耦出端；

所述光学耦出端将接收到的光线反射至返射型投影屏幕上；

所述返射型投影屏幕将接收到的光线进行反射，使光线原路返回并从平面 波导的光学耦出端透射进入人眼。

所述微型显示器件为LCoS，LCD，OLED或DMD显示元件。

所述光学耦出端由2个以上平行放置的半透半反镜组成。

所述半透半反镜的数目为3-5片。

所述半透半反镜的反射面和平面波导的反射面的夹角大于15o并且小于 40o。

所述平面波导包括平行放置的两个子平面波导，分别为第一平面波导和第 二平面波导；第一平面波导设置第一光学耦入端和第一光学耦出端，第二平面 波导设置第二光学耦入端和第二光学耦出端，第一光学耦出端的半透半反镜阵 列和第二光学耦出端的半透半反镜阵列的半透半反镜的排布的延伸方向相互垂 直；第一光学耦入端作为平面波导的光学耦入端，第二光学耦出端作为平面波 导的光学耦出端；

第一光学耦出端和第二光学耦入端位置对应，传输至第一平面波导第一光 学耦出端的光线被反射至大平面波导的第二光学耦入端，光线经过第二光学耦 入端反射后，进入第二平面波导中进行传播，被大平面波导的反射面多次反射 后到达第二光学耦出端。

所述小平面波导位于投影光学系统和大平面波导之间或位于人眼和大平 面波导之间。

所述光学耦入端采用设置于平面波导内部的反射镜实现。

所述光学耦入端采用镀有反射膜的平面波导倾斜内表面实现。

所述光学耦入端采用全息面或衍射面实现。

有益效果

1.本发明采用平面波导结构对光路进行限制，消除了传统头盔显示器中直接 采用一个半透半反镜造成的视轴方向的厚度大以及整个头盔显示器体积大的问 题。

2、本发明在平面波导的光学耦出端采用一组2个以上平行放置的半透半反 镜阵列，使得头盔显示器的出瞳不局限于投影光学系统的出瞳大小，只要半透 半反镜的数量足够大就可以无限扩大视场角，从而降低了投影光学系统的设计 难度。