一种增强现实式头戴显示器及其光路结构的制作方法

本实用新型涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种增强现实式头戴显示器及其光路结构。

背景技术：

增强现实(Augmented Reality，简称AR)，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。这种技术由1990年提出，随着随身电子产品运算能力的提升，预期增强现实的用途将会越来越广。

目前增强现实领域实用的棱镜多为45°反射式，棱镜的尺寸较大，重量大，而且视场角较小，成本非常高，且实际效果不好，降低了用户体验满意度。

头戴式显示器通过一组光学系统(主要是精密光学透镜)放大超微显示屏上的图像，将影像投射于视网膜上,进而呈现于观看者眼中大屏幕图像的装置。

头戴式显示器(Head Mounted Display)是近年来显示领域的热门产品，用于虚拟现实和增强现实的头戴图像显示装置取得了长足的发展。由于头戴显示装置安装在观察者的头部，因此它必须结构紧凑、重量轻，以减轻观察者的负载。头盔显示器主要由三个部分构成：显示部件、光学系统和卡环，要减轻重量，光学系统是关键，但光学系统的紧凑型与头戴显示器对光学系统成像质量的要求之间存在一定的矛盾。对于头戴显示器而言，要求光学系统可以做到比较大的视场和出瞳直径，因为观察视场的增加，观察范围也会增加，观察者才能更全神贯注的观察优质的动态图像，出瞳直径增加可以保证卡环适应不同瞳距的观察者，而不必调整显示器的瞳距，同时允许观察者在观察过程中眼珠能随意转动而不至于丢失图像。但光学系统的视场、出瞳直径、焦距三者之间有相互制约的关系，同时达到大视场，大出瞳直径和短焦(即系统的紧凑化)并不容易。另外，像面的照度的均匀性也对使用头盔显示器观看时的观看质量有明显影响，光学系统需要兼顾上述多种需求。

现有的头戴式显示器中必须通过透镜或透镜组对光源所发出的光线进行折射，用来放大光线最终在人眼中所呈像的大小，常规的应用由于光路设计的简陋和结构的紧凑性，这些透镜的排放往往都是同轴的，但这种同轴的设计已经不能满足现有使用者关于大视场角的需求，同轴的摆放限制对于外界光源的有效放大；同时现有的透镜组和棱镜本身在设计上也存在诸多问题。

技术实现要素：

本实用新型要解决的问题是：提供一种增强现实式头戴显示器及其光路结构。

本实用新型的技术方案如下：一种光路结构，包括显示器件、透镜组、波导棱镜和光阑，所述显示器件发出的光依次经过透镜组、波导棱镜和光阑最终进入人眼，其特征在于：

所述透镜组由不少于3个的透镜组成，任一所述组成透镜组的透镜其光轴平行但不重合；在组成所述透镜组的透镜中，有且仅有一个透镜的一个面为轴对称双二次曲面，该透镜的另一面以及其余透镜的面均为旋转对称的非球面；

所述波导棱镜包括材质相同的多曲面棱镜和补偿棱镜；

所述多曲面棱镜上包含5个光学作用面：第一光学面、第二光学面、第三光学面、第四光学面和第五光学面；一束光经第一光学面折射后进入多曲面棱镜，之后依次在第二光学面反射，第一光学面反射，第三光学面反射、第五光学面反射、第四光学面反射，最后经第五光学面折射而出；

所述第一光学面、第二光学面、第四光学面为轴对称的双二次曲面，其面型方程为：

其中，

R_x和R_y分别为x和y方向的曲率半径，k_x和k_y分别为x和y方向的二次曲面系数；

所述补偿棱镜上设有入射面和补偿面，所述补偿面和第四光学面互补；另一束光经入射面折射后进入补偿棱镜，之后依次经过补偿面折射出补偿棱镜、第四光学面折射进入多曲面棱镜，最后经过第五光学面折射出多曲面棱镜。

进一步，所述透镜组由不少于3个的透镜组成，其中至少有一个正透镜和一个负透镜，且正、负透镜之间的阿贝数差的绝对值大于20小于40，任一所述透镜的折射率在1.48至1.65之间。

进一步，任一所述透镜组中的透镜，其前后表面的光轴均重合。

进一步，任一所述组成透镜组的透镜其表面均镀有增透膜。

进一步，所述第一光学面、第二光学面以及第四光学面都分别关于x轴和y轴对称。

进一步，所述第一光学面为柱面，其R_x＝0，K_x＝0。

进一步，所述第三光学面和第五光学面为平面，且互相平行。

进一步，所述第四光学面为半反半透面，其表面镀有半反半透膜，所述第二光学面表面镀有反射膜。

进一步，所述多曲面棱镜高度为40mm-60mm，厚度为5mm-10mm；所述第一光学面和第二光学面之间的夹角为20°-30°，所述第四光学面和第五光学面之间的夹角为20°-30°。

进一步，所述显示器件为微型显示器。

再进一步，所述微型显示器为微型LED显示器、微型OLED显示器或微型激光成像装置。

一种增强现实式头戴显示器，其特征在于：包括上述所述的光路结构。

本实用新型的有益效果在于：1.本实用新型提供的大视场角增强现实棱镜，棱镜的尺寸可以大大减小、减轻了重量、加工简单；2.本实用新型的大视场角增强现实棱镜和头戴式显示器，可以通过更大入射角度的光线，增大了视场角。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型中波导棱镜的结构示意图。

图3为波导棱镜中多曲面棱镜的结构示意图。

图4为波导棱镜中补偿棱镜的结构示意图。

图5为实施例中透镜组的结构示意图。

其中：1、显示器件， 2、透镜组，

3、波导棱镜， 4、光阑，

21、第一透镜， 22、第二透镜，

23、第三透镜，

31、补偿棱镜， 32、多曲面棱镜，

311、入射面， 312、补偿面，

321、第一光学面， 322、第二光学面，

323、第三光学面， 324、第四光学面，

325、第五光学面。

具体实施方式

技术名词说明：

半反半透膜：具有透光性的反射膜。

出瞳直径：是指光线经过目镜汇聚后，在目镜后形成的亮斑的直径。

双二次曲面，即Biconic，与环形面相似，其坐标方程为：

其中，；x、y分别为以Biconic曲面几何中心为原点、与Biconic曲面定点相切的平面直角坐标系横坐标和纵坐标，即c_x和c_y分别为两条主子午线的曲率，k_x，k_y均为圆锥系数。(方程出自《Zemax中文使用手册》，271页)。

旋转对称非球面，也可以解释为偶次非球面英文为even asphere，其坐标方程为：

其中c’为曲面顶点的曲率，r为曲面上的点所在位置的半径,k′以及a₁～a₈分别为even asphere曲面的conic系数和非球面高次项系数，k′以及a₁～a₈通过Zemax软件进行优化获得。even asphere曲面的整体形状参数c′、k′以及a₁～a₈决定。

折射率：折射率，光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比。材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强。折射率越高，镜片越薄，即镜片中心厚度相同，相同度数同种材料，折射率高的比折射率低的镜片边缘更薄。本案中涉及Nd3，其解释为第三透镜在d线的折射率，也可以理解是介质在方和菲光谱d(氦黄线587.56nm)的折射率。

阿贝数，也称"V-数",用来衡量介质的光线色散程度。由于同一透明介质对不同波长的光存在折射率的差异，而白光又是由不同波长的各色光组成的，因此透明物质在折射白光时会发生色散这一特殊现象。阿贝数就是用以表示透明物质色散能力的反比例指数，数值越小色散现象越厉害。本案中涉及的Vd1和Vd2指的是第一透镜和第二透镜在d线的阿贝数，也可以理解为是介质在方和菲光谱d(氦黄线587.56nm)的阿贝数。

下面结合附图本实用新型的1种实施方式做出简要说明，在本实施例中透镜组所采用的透镜数量为3个。

如图1至5所示，一种光路结构，包括显示器件1、透镜组2、波导棱镜3和光阑4，所述显示器件1发出的光依次经过透镜组2、波导棱镜3和光阑4最终进入人眼。

如图5，所述显示器件1发出的光线，经第三透镜23的表面23a折射后进入第三透镜23，经过第三透镜23的表面23b折射后离开第三透镜23，经第二透镜22的表面22a折射后进入第二透镜22，经过第二透镜22的表面22b折射后离开第二透镜22，经第一透镜21的表面21a折射后进入第一透镜21，经过第一透镜21的表面21b折射后离开第一透镜21。上述透镜组2的所有表面均镀有增透膜，以减少光线能力的损失。

所述透镜组2的透镜有且仅有一个面为轴对称的双二次曲面(biconic)，其余的面均为旋转对称的非球面，所述透镜组2中的每个透镜其前后表面的光轴均重合，第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23的光轴均平行，但不重合。以图5的坐标系为参考，第一透镜21的光轴与坐标系的Z轴方向重合，第二透镜22和第三透镜23的光轴均与Z轴平行，在Y轴方向上有一定的偏移。其偏移量在±5mm之间。

所述透镜组2至少含有一个负透镜和一个正透镜，且正负透镜的阿贝数差的绝对值大于20小于40，任一所述透镜的折射率在1.48到1.65之间。

如图2所示，所述波导棱镜3包括补偿棱镜31和多曲面棱镜32。

光线经过曲面棱镜第一光学面321折射后进入曲面棱镜32，然后在第二光学面322内侧反射，再经过第一光学面321反射，然后经过第三光学面323反射，接在第五光学面325反射，然后在第四光学面324反射，最后在第五光学面325折射后进入光阑2过滤，最终进入人眼的视网膜上成像。

外界的光学进过补偿棱镜31的入射面311折射后进入补偿棱镜31，然后经过曲面棱镜32镜第四光学面324后进入曲面棱镜32，最后在第五光学面325折射后进入人眼的视网膜上成像。

第一光学面、第二光学面、第四光学面为轴对称的双二次曲面，其面型方程为：

其中，

R_x和R_y分别为x和y方向的曲率半径，k_x和k_y分别为x和y方向的二次曲面系数。

所述第一光学面321、第二光学面322以及第四光学面324都分别关于x轴和y轴对称。

所述第一光学面321为柱面，其R_x＝0，K_x＝0

第三光学面323与第五光学面325为平面。

第一光学面321既是折射面又是反射面，光线第一次经过第一光学面321时折射，第二次经过第一光学面321时反射。

第五光学面325既是折射面又是反射面，光线第一次经过第五光学面325时反射，第二次经过第五光学面325时折射。

第四光学面324为半透半反面。

光线在第一光学面321，第三光学面323和第五光学面25的反射均为全反射，没有任何能量损失。

本实施例中，如图2、图3所示，补偿棱镜31的第一光学面311为平面，第二光学面312与曲面棱镜32的第四光学面324互补。

曲面棱镜32的长度在40-60mm之间，厚度在5-10mm之间，曲面棱镜32第一光学面321与第二光学面322之间的夹角在20-30°之间，曲面棱镜32第四光学面324与第五光学面25之间的夹角在320-30°之间。

本实用新型提出了一种结构非常紧凑、质量很轻的光路结构，用于头戴式显示器中，将头戴微型显示器件显示的图像放大并经位于光阑处的人眼成像。有效的减少了棱镜的体积，实现了整体结构的紧凑性，同时透镜组不同轴的设计与波导棱镜的组合有效的增大了入射角，减少像差，最终增加了视场角。

以上对本实用新型的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。