用于增强现实显示的交互头戴显示设备的制作方法

本实用新型涉及增强现实领域，特别是一种基于薄膜阵列的光波导扩展现用于增强现实显示的交互头戴显示设备。

背景技术：

头戴显示器是集光电子、微电子、精密机械以及信号处理于一身的一种全新现代显示技术。在军事作战、城市反恐、临床医疗等领域有着广泛的应用前景。

现有技术US6747611B1于2004年实用新型，使用棱镜作为头戴显示光学装置，可以实现增强现实的目的。其缺点为棱镜厚度很厚，单目视场角很小，不利于实际使用。

现有技术PCT817033103822于2003年实用新型，使用LED与反射镜进行反射，可以实现照明。其缺点在于装置复杂、无法将入射光全部偏振化，能量利用率很低。

现有技术US20080285140A1与2008年实用新型，使用波导技术进行光线传输控制。其缺点在于使用双目结构需要两套显示装置、光照装置，导致头戴显示装置较重

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供用于增强现实显示的交互头戴显示设备，该装置具有双目显示、大视场、光照效率高、显示效果清晰等特点。

为解决上述技术问题，本实用新型通过以下方案来实现：一种用于增强现实显示的交互头戴显示设备包括:图像采集装置、微处理器、照明装置、图形显示装置、扩束装置、偏振分光装置、双目波导显示装置；

图像采集装置包括左眼摄像头、右眼摄像头；

双目波导显示装置包括左眼视觉导光面；右眼视觉导光面；左眼薄膜阵列；右眼薄膜阵列；双目波导；左眼吸光片；右眼吸光片；

优选的、所述双目波导显示装置外部设置有连接结构用于安装图像显示装置；所述图像采集装置通过视频线路连接到微处理器；所述微处理器连接图形显示装置；所述图形显示装置的图像出光面前方设置有偏振分光装置；所述照明装置的光线射入偏振分光装置，所述偏振分光装置一端设置有扩束装置；所述扩束装置的出光面前设置有双目波导显示装置，并将矫正后的光影像经左眼视觉导光面；右眼视觉导光面，分别向双目波导显示装置两端传送；所述照明装置实现出射全偏振的s偏振光；所述图形显示装置为LCOS显示屏，LCOS显示屏上显示经微处理器分为等面积两部分显示，显示内容完全一致；所述双目波导显示装置延中轴线对称设置有左、右眼传送及显示结构；其左眼传送及显示结构排布为左眼视觉导光面、双目波导、左眼薄膜阵列、双目波导、左眼吸光片；其右眼传送及显示结构排布为右眼视觉导光面、双目波导、右眼薄膜阵列、双目波导、右眼吸光片；所述双目波导显示装置两底端分别设置有左眼吸光片,右眼吸光片。

优选的、所述左眼视觉导光面为基于全反射原理的反射镜或者基于全息光学的全息光学元件实现；所述左眼视觉导光面设置在双目波导显示装置内，左眼视觉导光面与经扩束装置内的光影图像传播方向设置有一定夹角，其夹角的大小与光影图像的传播路径相关联；所述右眼视觉导光面与左眼视觉导光面材料相一致；所述右眼视觉导光面与左眼视觉导光面延双目波导显示装置中心轴对称设置。

优选的、所述左眼薄膜阵列由两个或两个以上的薄膜平行叠加而成的层叠的薄膜组；所述薄膜为多层纳米级膜系加工制作，其工艺在于一个薄膜在加工时对每一层薄膜的厚度和折射率进行实时测量，将前面沉积的薄膜所产生的误差通过膜厚监控系统控制即将要沉积的薄膜的厚度来进行修正，通过物理沉积、化学沉积工艺将薄膜制备薄膜；所述左眼薄膜阵列按照一定角度镀在倾斜放置的透明介质基板上，以保证在设计视场角内形成连续无间断无重影的光影像成像区域；所述左眼薄膜阵列与右眼薄膜阵列的材料相一致；所述左眼薄膜阵列与右眼薄膜阵列延双目波导显示装置中心轴对称设置。

优选的、所述扩束装置由第一透镜组和第二透镜组组成，第一透镜组和第二透镜组由单透镜或者胶合透镜组加工。

优选的、所述偏振分光装置结构内设置有偏振敏感的膜系；经照明装置入射s偏振光投影到图形显示装置，再经图形显示装置反射后出射p偏振光，透射偏振分光装置进入扩束装置。

优选的、所述照明装置包括光源、第一反射装置、第二反射装置、全偏正器；所述第一反射装置设置在光源出光面的正前端；所述第二反射装置设置在光源出光面的后端；第二反射装置为中心开口的自由曲面结构；开口位置与光源的出光面一致；所述光源发出的光经过第一反射装置将光线反射后在经第二反射装置将光线反射进入全偏正器，其目的在于将光源发射的光准直并均匀的射入进入全偏正器，减少由于光强与光弱所产生的光斑或光晕。

优选的、所述全偏正器内设置有第一折衍棱镜、介质空气片堆、第二折衍棱镜；所述第一折衍棱镜由折射棱镜及设置在折射棱镜上的衍射面组成；所述第二折衍棱镜由折射棱镜及设置在折射棱镜上的衍射面组成；所述介质空气片堆结构在于由多层透明材料与空气层的交替结构叠加组成；其交替结构与光线的覆盖面积相一致。

附图说明

图1为本技术产品的结构示意图；

图2为本技术产品的流程示意图；

图3为本技术产品的双目波导显示装置结构俯视示意图；

图4为本技术产品的双目波导显示装置结构正视示意图；

图5为本技术产品的扩束装置结构示意图；

图6为本技术产品的图像显示装置显示效果图；

图7为本技术产品的照明装置结构示意图；

图8为本技术产品的全偏正器结构示意图；

图9为本技术产品的折衍棱镜结构示意图；

图10为本技术产品的折衍棱镜光路效果图1；

图11对比技术产品的折射棱镜光路效果图；

图12为本技术产品的介质空气堆结构示意图；

图13为本技术产品的折衍棱镜光路效果图2；

图14为本技术产品的介质空气堆光路效果图；

图15为本技术产品的薄膜阵列入射角透射率曲线；

图16为本技术产品的光波导光照图；

图17为本技术产品的光波导畸变图；

图18为本技术产品的光波导能量曲线；

图19为本技术产品的光波导MTF曲线；

图20为本技术产品的光波导点列图。

附图中标记：

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参照附图1-14，本技术是这样实现的一种用于增强现实显示的交互头戴显示设备包括:图像采集装置、微处理器、照明装置、图形显示装置、扩束装置、偏振分光装置、双目波导显示装置；

图像采集装置包括左眼摄像头、右眼摄像头；

双目波导显示装置包括左眼视觉导光面；右眼视觉导光面；左眼薄膜阵列；右眼薄膜阵列；双目波导；左眼吸光片；右眼吸光片；

优选的、所述双目波导显示装置外部设置有连接结构用于安装图像显示装置；所述图像采集装置通过视频线路连接到微处理器；所述微处理器连接图形显示装置；所述图形显示装置的图像出光面前方设置有偏振分光装置；所述照明装置的光线射入偏振分光装置，所述偏振分光装置一端设置有扩束装置；所述扩束装置的出光面前设置有双目波导显示装置，并将矫正后的光影像经左眼视觉导光面；右眼视觉导光面，分别向双目波导显示装置两端传送；所述照明装置实现出射全偏振的s偏振光；所述图形显示装置为LCOS显示屏，如图7所示LCOS显示屏上显示经微处理器分为等面积两部分显示，显示内容完全一致；微处理器将接收处理左眼右眼摄像头视觉信号并驱动LCOS显示屏(3-1)，搭载微处理器控制LCOS显示屏(3-1)上呈现左眼与右眼部分的显示内容，处理左右眼摄像头视频流信息，并通过人眼立体视觉原理获得摄像头所指向空间范围内的深度信息，微处理器控制LCOS显示屏(3-1)进行显示，通过穿透式的光机，叠加在真实物体之上，LCOS显示屏(3-1)所显示的虚拟物体的位置信息，通过左右摄像头获得的深度信息与二维彩色信息，又经微处理器处理得到。

优选的、所述双目波导显示装置延中轴线对称设置有左、右眼传送及显示结构；其左眼传送及显示结构排布为左眼视觉导光面、双目波导、左眼薄膜阵列、双目波导、左眼吸光片；其右眼传送及显示结构排布为右眼视觉导光面、双目波导、右眼薄膜阵列、双目波导、右眼吸光片；所述双目波导显示装置两底端分别设置有左眼吸光片,右眼吸光片。

优选的、所述左眼视觉导光面为基于全反射原理的反射镜或者基于全息光学的全息光学元件实现；所述左眼视觉导光面设置在双目波导显示装置内，左眼视觉导光面与经扩束装置内的光影图像传播方向设置有一定夹角，其夹角的大小与光影图像的传播路径相关联；所述右眼视觉导光面与左眼视觉导光面材料相一致；所述右眼视觉导光面与左眼视觉导光面延双目波导显示装置中心轴对称设置。

优选的、所述左眼薄膜阵列由两个或两个以上的薄膜平行叠加而成的层叠的薄膜组；所述薄膜为多层纳米级膜系加工制作，其工艺在于一个薄膜在加工时对每一层薄膜的厚度和折射率进行实时测量，将前面沉积的薄膜所产生的误差通过膜厚监控系统控制即将要沉积的薄膜的厚度来进行修正，通过物理沉积、化学沉积工艺将薄膜制备薄膜；所述左眼薄膜阵列按照一定角度镀在倾斜放置的透明介质基板上，以保证在设计视场角内形成连续无间断无重影的光影像成像区域；所述左眼薄膜阵列与右眼薄膜阵列的材料相一致；所述左眼薄膜阵列与右眼薄膜阵列延双目波导显示装置中心轴对称设置。

如图2-3所示，双目波导显示装置包括：左眼视觉导光面(1-1)；右眼视觉导光面(1-2)；左眼薄膜阵列(1-3)；右眼薄膜阵列(1-4)；双目波导(1-5)；左眼吸光片(1-8)；右眼吸光片(1-9)；

双目波导显示装置外部设置有连接结构用于安装图像显示装置；

如图1-2所示双目波导显示装置延中轴线对称设置有左、右眼传送及显示结构；其左眼传送及显示结构排布为左眼视觉导光面(1-1)、双目波导(1-5)、左眼薄膜阵列(1-3)、双目波导(1-5)、左眼吸光片(1-8)；其右眼传送及显示结构排布为左眼视觉导光面(1-2)、双目波导(1-5)、右眼薄膜阵列(1-4)、双目波导(1-5)、右眼吸光片(1-9)；

双目波导显示装置两底端分别设置有吸光片，其功能在于吸收多余的杂光，抑制杂散光的反射从而减少杂光对影响观察区域内的图像影响。

左眼视觉导光面(1-1)为基于全反射原理的反射镜或者基于全息光学的全息光学元件HOE实现；左眼视觉导光面(1-1)设置在双目波导显示装置内，左眼视觉导光面(1-1)与经扩束装置内的光影图像传播方向设置有一定夹角，其夹角的大小与光影图像的传播路径相关联。

右眼视觉导光面(1-2)与左眼视觉导光面(1-1)材料相一致；

右眼视觉导光面(1-2)与左眼视觉导光面(1-1)延双目波导显示装置中心轴对称设置；

左眼薄膜阵列由两个或两个以上的薄膜平行叠加而成的层叠的薄膜组；所述薄膜为多层纳米级膜系加工制作，其工艺在于一个薄膜在加工对每一层薄膜的厚度和折射率进行实时测量，将前面沉积的薄膜所产生的误差通过膜厚监控系统控制即将要沉积的薄膜的厚度来进行修正。；

左眼薄膜阵列镀在倾斜的界面上，且在倾斜放置区域内形成光影像成像区域。

左眼薄膜阵列与右眼薄膜阵列的材料相一致；

左眼薄膜阵列与右眼薄膜阵列延双目波导显示装置中心轴对称设置；

本技术采用薄膜阵列对图像进行折射输出可以使双目波导显示装置结构可以做成双目超薄结构；薄膜阵列可以实现降低波导厚度与扩大视场角(FOV)的作用；现有技术很多都是采用棱镜结构进行图像的输出作为载体,棱镜结构的厚度一般在10-12mm左右，而薄膜阵列可以做到厚度为2mm-4mm,因此可以大大降低产品波导结构的厚度同时扩大视场角.

左眼薄膜阵列倾斜放置所形成的入射角有两种情况，第一种在波导上下界面经历奇数次全反射后到达左眼薄膜阵列，一部分透射，一部分反射进入人眼，其入射角为β₃；第二种在界面全部透射，其入射角为β₄，角度关系为

β₃＝β₁

β₄＝3β₁

观察区域内眼睛瞳孔大小为d_e，出瞳位置为D，光波导厚度T，所述结构的视场角为

光波导厚度与视场角的关系为

T＝(DtanFOV+d_e)tanβ₁

图像传送可根据波导基底折射率为n₁，空气折射率为n₀，在波导基底内发生全反射的条件为

β₂＝2β₁

β₂＞β

经过左\右眼视觉导光面发出的光影像再经过设置在双目波导(1-5)分别传递进入到左眼薄膜阵列(1-3)及右眼薄膜阵列(1-4)折射后，对影像进行输出，并由人眼进行观察图像显示效果。

优选的、所述扩束装置由第一透镜组和第二透镜组组成，第一透镜组和第二透镜组由单透镜或者胶合透镜组加工。扩束装置的设计可根据图像显示装置的屏幕的尺寸进行灵活设计，同时扩束装置还可以更具波导厚度及导光面倾斜角进行灵活设计，均由第一透镜组和第二透镜组的结构进行调整。

扩束装置(2-1)的光影像出射方向的前端设置有双目波导显示装置，并将矫正后的光影像经左眼视觉导光面(1-1)；右眼视觉导光面(1-2)，分别向双目波导显示装置两端传送；

所述扩束装置的放大倍数M由左、右眼视觉导光面尺寸L_REＰLECT与LCOS显示屏有效尺寸L_lcos决定，

优选的、所述偏振分光装置结构内设置有偏振敏感的膜系；经照明装置入射s偏振光投影到图形显示装置，再经图形显示装置反射后出射p偏振光，透射偏振分光装置进入扩束装置。

偏振分光装置为一个或多个棱镜组结构组成；其功能在于:经照明装置(3-3)入射s偏振光投影到LCOS显示屏(3-1)，再经LCOS显示屏(3-1)反射后出射p偏振光，透射偏振分光装置(3-2)进入扩束装置(2-1)。其功能是对将偏振分光装置(PBS)出射的光束进行无畸变的扩束；

优选的、所述照明装置包括光源、第一反射装置、第二反射装置、全偏正器；所述第一反射装置设置在光源出光面的正前端；所述第二反射装置设置在光源出光面的后端；第二反射装置为中心开口的自由曲面结构；开口位置与光源的出光面一致；所述光源发出的光经过第一反射装置将光线反射后在经第二反射装置将光线反射进入全偏正器，其目的在于将光源发射的光准直并均匀的射入进入全偏正器，减少由于光强与光弱所产生的光斑或光晕。

第一反射装置、第二反射装置及光源的距离及自由曲面设计可参考现有技术：CN103912809B。

优选的、所述全偏正器内设置有第一折衍棱镜、介质空气片堆、第二折衍棱镜；所述第一折衍棱镜由折射棱镜及设置在折射棱镜上的衍射面组成；所述第二折衍棱镜由折射棱镜及设置在折射棱镜上的衍射面组成；所述介质空气片堆结构在于由多层透明材料与空气层的交替结构叠加组成；其交替结构与光线的覆盖面积相一致。

全偏正器内设置有第一折衍棱镜、介质空气片堆、第二折衍棱镜；

第一折衍棱镜由折射棱镜及设置在折射棱镜上的衍射面组成；

第二折衍棱镜由折射棱镜及设置在折射棱镜上的衍射面组成；

介质空气片堆结构在于由多层透明材料与空气层的交替结构叠加组成；其交替结构与光线的覆盖面积想一致；

所述衍射面使用超精密加工的方法制作出衍射微结构，利用衍射元件的负色散性质与折射棱镜的色散进行抵消，进而实现消色差。利用衍射元件的负色散性质与折射棱镜的色散性质进行抵消，从而实现消色差。相比于传统折射棱镜结构，这种折衍混合棱镜结构在校正色差方面具有独特的优势，减少透镜使用数量，降低减轻系统重量，降低系统成本。使用超精密衍射面的加工方法，使得衍射面具有特定的相位分布函数。分布函数为

Z(x,y)＝C₀₀+C₀₁y+C₁₀x+C₁₁xy+C₂₀x²+…+C_i,k-ixⁱy^k-i+… (1)

折衍棱镜的衍射面的微结构并不固定，根据的衍射面形成的优化结果是不同的，比如有的微结构设计成本低一些，但是补偿色散能力有限，加工方便；有的衍射面微结构会很复杂，补偿色散能力很好，其加工工艺及材料选择上选择性很广，实施效果可根据技术要求做进一步的优化。

衍射面的数学理论如下：

波长为λ_middle的光线以入射角θ入射到d为周期的光栅上，m级衍射角为θ_dmiddle，那么θ_dmiddle与θ的关系为

d(sinθ_dmiddle-sinθ)＝mλ_middle (2)

可以得到θ_d表达式

那么λ_middle波长的光线m级衍射光的折射率为

同理，波长为λ的光以相同入射角入射到改光栅上，该级衍射光对应的折射率为

由(4)、(5)可得

由(6)知对于衍射光学元件，其折射率随着波长增大而增大，Abbe数为

由(7)可知，衍射光学元件的Abbe数为负值，折射光学元件为正值。为了校正折射棱镜的色差，需要满足消色差公式

满足消色差公式的衍射面面型即为此处需要的面型。

所述衍射棱镜的特性是补偿折射棱镜色散问题，衍射光学原件(DOE)阿贝数为负值，可以消除折射棱镜的色差问题。若不使用衍射光学元件，会出现严重的色散问题，使用衍射光学元件，则可以弥补色差问题，而保证入射白色自然光，出射依然是白色自然光。

白色自然光水平入射第一折衍棱镜，衍射面用于消色差，折射棱镜用于对光线的偏折，折射棱镜偏折的角度与折射棱镜顶角角度、消色差中心波长对应的折射率有关，数学表达式为

求解偏折角的过程，就是解上述三角函数非线性方程的过程。

只有当入射到介质空气片堆的角度等于布儒斯特角时，才满足反射光为s偏振光的结果，因此

n为玻璃层的折射率。γ为入射到玻璃界面时的入射角。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。