半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统的制作方法
【专利摘要】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，为了解决头戴显示器大出瞳、轻小型化之间的矛盾，该光学系统中垂直扩展波导和水平扩展波导由等间距或者变间距排布半透膜倾斜地内嵌于基底构成；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全反射镜的中心沿竖直方向保持对准；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；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。
【专利说明】半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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；
[0006] 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坚直方向保持对准；
[0007] 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；
[0008] 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。
[0009] 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。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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】
[0014] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0015] 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131和半透膜阵列1132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 -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。
[0016] 目镜系统2包括沿光轴依次排列的双凸透镜21、第一正弯月形透镜22、双凹透镜 23、第二正弯月形透镜24和负弯月形透镜25,其中第二正弯月形透镜24和负弯月形透镜 25构成双胶合透镜，系统各透镜前后表面均为标准球面，面形参数如表1所示。目镜系统2 设计中为方便进行成像质量的评价采用了所谓的反向光线追迹方法，即从目镜的出瞳平面 向微显示屏进行追迹。为进一步减少目镜系统2元件数目控制系统结构，通过采用更加复 杂的面型，例如非球面、自由曲面和二元光学面等可做出进一步简化。
[0017] 表 1
[0018]
【权利要求】
1. 半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统，其特征在于，该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); 所述垂直扩展波导（3)和水平扩展波导（4)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（3)与水平扩展波导（4)两者相互垂直紧密贴合，垂直 扩展波导（3)的中心与水平扩展波导（4)中的全反射镜（41)的中心沿坚直方向保持对准； 所述目镜系统（2)位于微显示屏（1)和垂直扩展波导（3)之间，其出瞳平面位于垂直 扩展波导（3)内部；所述目镜系统（2)至少包含一个透射元件，且各元件同轴放置； 所述微显示屏（1)的线视场分布的发散光通过目镜系统（2)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（3)和水平扩展波导（4)扩展后形成二维分布 的扩展出瞳阵列，当观察者眼瞳（5)与系统出瞳平面（6)重合并落在出瞳阵列以内即可获 得微显示屏（1)上的显示信息。
2. 根据权利要求1所述的半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统，其特征在于， 目镜系统（2)中双凸透镜（21)、第一正弯月形透镜（22)、双凹透镜（23)、第二正弯月形透 镜（24)和负弯月形透镜（25)依次同轴设置，其中第二正弯月形透镜（24)和负弯月形透镜 (25)构成双胶合透镜，系统各透镜前后表面均为标准球面。
3. 根据权利要求1所述的半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统，其特征在于， 所述垂直扩展波导（3)包括条形基底（30)、内嵌于条形基底（30)的半透膜阵列1(31)和 半透膜阵列11(32);半透膜阵列1(31)由五个互相平行且大小相等的半透膜构成，在第二 半透膜（312)、第三半透膜（313)、第四半透膜（314)和第五半透膜（315)中相邻半透膜间 距相等，且该间距小于半透膜第一半透膜（311)与第二半透膜（312)的间距；半透膜阵列 11(32)由四个互相平行且大小相等的半透膜构成，在半透膜二（322)、半透膜三（323)和半 透膜四（324)中相邻半透膜间距相等，且该间距小于半透膜一（321)与半透膜二（322)的 间距；第二半透膜（312)与半透膜一（321)的中心沿y方向精确对准；半透膜阵列1(31) 的和半透膜阵列11(32)的各个表面与条形基底（30)的表面之间呈特定夹角，且该夹角相 等；半透膜阵列1(31)的顶部和半透膜阵列11(32)的底部重合，并且二者的倾斜方向关于 y-o-z坐标平面镜像对称。
4. 根据权利要求1所述的半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统，其特征在于， 所述水平扩展波导（4)包括平板基底（40)和内嵌于平板基底（40)的全反射面（41)和半 透膜阵列（42);平板基底（40)中互相平行的上下表面构成其工作面；全反射面（41)与 平板基底（40)的工作面之间的夹角应保证入射平行光束能够被全反射面（41)无遮挡的 反射；半透膜阵列（42)由六个互相平行的半透膜等间距排布构成，半透膜1(421)、半透膜 II (422)、半透膜III (423)、半透膜IV(424)、半透膜V(425)和半透膜VI (426)的表面与平 板基底（40)的工作面之间呈特定夹角；经全反射面（41)反射后的各视场光束在平板基底 (40)的工作面上发生反射时满足全反射条件。
【文档编号】G02B27/01GK104216120SQ201410440412
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】呼新荣, 刘 英, 王健, 孙强, 李淳 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所