[发明专利]一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置

说明书

本发明公开了一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置。该装置包括：微显示屏、目镜组、垂直扩展波导装置以及水平扩展波导装置；微显示屏和垂直扩展波导装置分别设置于目镜组的焦平面和出射光路上，目镜组用于将微显示屏发出的光束准直为平行光束；水平波导装置设置于垂直波导装置的出射光路上；水平耦合入射面与垂直波导装置的上下底面平行；垂直扩展波导装置用于将目镜组出射的平行光束在垂直等效尺寸增大；水平波导装置用于将垂直扩展光束水平等效尺寸增大，得到二维扩展光束并出射到人眼眼瞳。该发明能在扩大视场角的同时减小装置的体积，并克服垂轴像差、场曲和畸变的缺点。

技术领域

本发明涉及光学显示技术领域，特别是一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置。

背景技术

头戴显示器(Head-mounted displays，简称HMD)是指通过各种头显，向眼睛发送光学信号，可以实现虚拟现实(Virtual Reality，VR)、增强现实(Augmented Reality，AR)、混合现实(Mix reality，MR)等不同效果，被广泛应用于虚拟现实系统中，用以增强用户的视觉沉浸感。光学显示装置中，用于增强现实的头戴显示器可以让人们在查看周围环境的同时，将虚拟的图像投射到人眼，投影的虚拟图像可以叠加在用户感知的真实世界上，在军事，工业，娱乐，医疗，交通运输等领域有着重要的意义。

目前用于增强现实的透射型头戴显示器，如果想要扩大视场角，必然会导致光学显示装置体积的增大，且现有的头戴显示器通常采用离轴非球面构成折反射系统，虽然实现了大视场角观看，但是这种系统一般会产生很大的垂轴像差、场曲和畸变，使虚拟画面变形，影响用户体验。

发明内容

本发明的目的是提供了一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置，能在扩大视场角的同时减小装置的体积，并克服垂轴像差、场曲和畸变的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置，包括：微显示屏、目镜组、垂直扩展波导装置以及水平扩展波导装置；

所述微显示屏设置于所述目镜组的焦平面上，所述垂直扩展波导装置设置于所述目镜组的出射光路上，所述目镜组用于将所述微显示屏发出的光束准直为平行光束并出射；所述水平波导装置设置于所述垂直波导装置的出射光路上；

所述垂直扩展波导装置与所述水平扩展波导装置均为由至少两个平行四角棱镜和至少一个梯形棱镜按顺序依次胶合而成的梯形棱镜，所述水平波导装置的水平耦合入射面与所述垂直波导装置的上下底面平行，所述水平耦合入射面与所述水平波导装置的基底平面呈45°角；所述垂直扩展波导装置用于将所述目镜组出射的平行光束在垂直方向上进行等效尺寸增大，得到垂直扩展光束并出射；所述水平波导装置用于将所述垂直扩展波导装置出射的垂直扩展光束在水平方向上进行等效尺寸增大，得到二维扩展光束并出射到人眼眼瞳。

可选的，所述微显示屏为有机发光二极管、硅基液晶屏或具有发光功能的微显示芯片。

可选的，所述目镜组由单片或多片透镜组成，所述透镜材质为光学玻璃或光学塑料，全视场范围畸变小于1％。

可选的，所述垂直波导装置的垂直耦合入射面材质为光学玻璃、光学塑料或浮雕光栅。

可选的，所述垂直扩展波导装置以及所述水平扩展波导装置的斜面为平行四角棱镜的斜面，镀有不同反射率的介质膜层金属线栅，所述斜面反射率为1％-50％，用于将接收到的光线分裂为两条光线，一条为按照反射定律进行反射传播的平行光线，一条为携带能量增减的平行光线。

可选的，所述垂直扩展波导装置的多个斜面的相邻斜面之间的斜面间距设置为1-8mm。

可选的，所述水平扩展波导装置与所述垂直扩展波导装置的两个相互平行的平面之间的间隙设置为0-10mm。

可选的，所述水平扩展波导装置的整体厚度为2mm。