[发明专利]半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统，属于光学系统和器件设计领域，可以用作头戴显示设备的目视光学系统。

背景技术

头戴显示器(Head-Mounted Display，HMD)以其沉浸性、交互性以及可提高势态感知等特点，在军事、工业设计与制造、医疗及娱乐等虚拟现实和增强现实领域得到了广泛应用。随着微显示器技术、光学加工技术以及光学设计理论的日益成熟，HMD正朝着轻小型化方向发展。

鉴于头部佩戴的特殊要求，现有的透射型HMD通常采用离轴折反中继结构以获得大出瞳，离轴反射组合镜的使用增大了系统离轴像差的矫正难度，组合镜与中继系统的结合限制了透镜尺寸导致系统很难减小体积和重量。光波导装置可将目镜产生的平行光进行传输和扩展以供人眼观察，能够极大程度减小目镜的体积和重量，为HMD的轻小型化设计提供了一种新途径。目前，用于HMD的波导技术主要分为全息波导和半透膜阵列波导两类。半透膜阵列波导利用半透膜的折射和反射实现目镜出瞳的扩展，色散小容易实现彩色显示，通过合理结构设计能够有效抑制杂光并获得满意的像质，其制作工艺相对简单具有独特的竞争力，但是难以实现目镜出瞳光束的有效二维扩展；全息波导将衍射光栅组合使用，对目镜的出瞳光束进行扩展从而获得较大的出瞳，但系统光能利用率低、加工难度大，衍射引入的杂光和色散严重且矫正方法复杂。

发明内容

本发明为克服现有技术的上述不足，解决头戴显示器大出瞳、轻小型化之间的矛盾，提出一种半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统，通过二维波导装置进行出瞳扩展，在获得大出瞳的同时减小了系统尺寸和重量。

半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统，该光学系统包括微显示屏、目镜系统、垂直扩展波导和水平扩展波导；

所述垂直扩展波导和水平扩展波导均由等间距或者变间距排布半透膜倾斜地内嵌于基底构成；所述垂直扩展波导与水平扩展波导两者相互垂直紧密贴合，垂直扩展波导的中心与水平扩展波导中的全反射镜的中心沿竖直方向保持对准；

所述目镜系统位于微显示屏和垂直扩展波导之间，其出瞳平面位于垂直扩展波导内部；所述目镜系统至少包含一个透射元件，且各元件同轴放置；

所述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垂直扩展波导和水平扩展波导扩展后形成二维分布的扩展出瞳阵列，当观察者眼瞳与系统出瞳平面重合并落在出瞳阵列以内即可获得微显示屏上的显示信息。

本发明的有益效果：本发明提供了一种大出瞳、小尺寸、像质良好的平板波导型头戴显示器光学系统，可用眼镜架或者头盔作为系统支架，适用于沉浸式显示系统或者双通道显示系统。

附图说明

图1是本发明半透膜阵列平板波导式HMD光学系统的结构示意图。

图2是本发明半透膜阵列平板波导式HMD光学系统的二维结构截面图。

图3是本发明半透膜阵列平板波导式HMD光学系统所述垂直扩展波导3的二维截面示意图。

图4是本发明半透膜阵列平板波导式HMD光学系统所述目镜系统的畸变(a)和场曲(b)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1至图3所示，本发明半透膜阵列平板波导式HMD光学系统包括微显示屏1、目镜系统2、垂直扩展波导3和水平扩展波导4。微显示屏1上各像素点出射的发散光锥经目镜系统2准直后，某一视场对应的平行光束首先入射垂直扩展波导3，依次经过半透膜阵列I31和半透膜阵列II32多次反射、透射后沿x方向形成一列扩展光束，从而实现该方向的出瞳光束扩展；然后，扩展光束由全反射镜41导入水平扩展波导4，当光束在平板基底40内表面反射时满足全反射条件因而被约束在平板基底中向前传播，经半透膜阵列42多次反射、透射光束在z方向也得到了扩展，但反射光因不再满足全反射条件而从基底40一侧透射输出；至此，在基底40外的系统出瞳平面6便得到了二维扩展的阵列光束。由不同视场阵列光束的重叠区域构成HMD系统的出瞳，当用户眼瞳5落在系统出瞳区域以内即可获得微显示屏1上的显示图像。