一种大视场角大出瞳的增强现实显示系统的制作方法

本发明涉及增强显示显示技术领域，尤其涉及一种大视场角大出瞳的增强现实显示系统。

背景技术：

增强现实技术(ar)是一种将虚拟信息叠加到真实世界的显示技术，可广泛应用于军事、医疗、教育、制造、娱乐等领域。随着增强现实元年的到来，增强现实眼镜越来越被大众所熟知，产品也逐渐往消费者市场蔓延。

作为头戴式系统，考虑到佩戴者舒适度等问题，需要约束其结构的尺寸及重量，这同时也限制了该类目镜系统的视场角、出瞳等光学参数。目前市场上的增强现实眼镜都存在视场角小、出瞳不足等问题，这会导致用户体验缺乏沉浸感。

微软于2015年1月发布了一款基于全息波导显示的增强现实眼镜hololens。全息波导由于仅仅起到光线传输的作用，并没有透镜成像的功能，因而视场角并不能做到很大。hololens的视场角在30度左右，还有很大的提升空间。

光学自由曲面棱镜的应用能有效提高增强现实显示系统的视场角及出瞳等参数。公开号为cn101359089b的中国专利文献公开了一种自由曲面棱镜头盔显示器光学系统，包括一个具有三个光学表面的自由曲面棱镜和一个微型图像显示器，从观察者侧到像源方向，自由曲面棱镜依次为第一表面、第二表面和第三表面，第一表面为凹面形状的透射面；第二表面为凹面形状的反射面，起放大图像的作用，外侧镀有反射膜层；第三表面为凹面形状的透射面，该光学系统的实际光路为微型液晶显示器件发出的光线，先经过第三表面透射进入自由曲面棱镜，然后在第一表面内侧上发生全反射，经过第二表面反射，最后再次经过第一表面透射至人眼。该自由曲面棱镜对角线视场可达到60度，出瞳直径8mm；但是为了不使外界场景观看时发生倾斜和变形，需要胶合一块补偿棱镜来补偿光线的偏移和倾斜，增加了加工工艺的复杂程度。

技术实现要素：

本发明提供了一种大视场角大出瞳的增强现实显示系统，作为增强现实眼镜的显示器件，解决了视场角小画面显示不全、出瞳小丢失画面等问题。

一种大视场角大出瞳的增强现实显示系统，包括：

图像源，用于产生虚拟现实的虚拟信息；

离轴投影系统，至少包括三片球面或非球面的折射透镜，各片折射透镜相互不共轴；

半透半反镜片，设有衍射结构且镀有半透半反膜；

所述的虚拟信息依次经过离轴投影系统的折射后经半透半反镜片反射进入人眼；真实场景光线经半透半反镜片的投射后进入人眼；

其中，离轴投影系统中的折射透镜均为旋转对称结构，其表面面型满足方程(1)，方程(1)中用(x，y，z)表示表面上点的位置坐标值：

其中c是曲面顶点处的曲率，k是曲面的二次曲面常数，ai是曲面的i阶非球面系数。

本发明的增强现实显示系统通过离轴投影系统的折射改变图像源产生的虚拟信息的光路，增大虚拟图像的视角和出瞳，再经半透半反镜片的反射后进入人眼，半透半反镜片具有衍射结构，可进一步改变虚拟信息的光路，增大虚拟图像的视角和出瞳；真实场景光线经半透半反镜片的投射后进入人眼，半透半反镜片的衍射结构改变真实场景的光线，增大现实图像的视角和出瞳。

图像源可以为oled显示屏、lcd液晶显示屏或lcos，尺寸为市面上能购买到的小型尺寸。

作为优选，所述的离轴投影系统中折射透镜至少一片为自由曲面透镜。离轴投影系统中折射透镜可采用密度较小的材料制成，佩戴时不会对使用者头部造成压力。

作为优选，所述的衍射结构为菲涅尔纹理结构或全息光栅结构。本发明中的半透半反镜片中的衍射结构，可改变光线的光路，但是对透过半透半反镜片的光线不起任何汇聚或发散作用，起到扩大视角的效果。

进一步优选的，所述的衍射结构为菲涅尔纹理结构，菲涅尔纹理结构的凹槽内镀设半透半反膜后使用与半透半反镜片的折射率相同的材料填平。采用相同折射率的材料填平菲涅尔纹理结构的凹槽，外部光线透过半透半反镜片时不会发生倾斜或变形。

进一步优选的，所述的衍射结构为菲涅尔纹理结构，所述的菲涅尔纹理结构的面型满足方程(2)：

z＝mod(z1，δh)(2)

其中z1满足方程(1)，δh表示结构矢高。

另一种优选方案为：所述的衍射结构为全息光栅结构，所述的半透半反镜片包括透明平面透镜以及依次贴附在透明平面透镜上的全息光栅薄膜和半透半反膜。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)视场角达到60度，可以将等比例的虚拟信息完整地叠加到真实场景，提高用户的沉浸感，使得用户分不清真实世界和虚拟世界；

(2)出瞳大，提供给用户足够大的眼动范围，可以保证用户在佩戴过程中眼镜歪掉等情况下不丢失视场；

(3)采用两面曲率相同的半透半反镜片，使得真实世界的场景到达人眼几乎不产生像差。

附图说明

图1为本发明的虚拟信息部分成像的光路图；

图2为本发明的真实世界场景透过半透半反镜片的光路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例中坐标系规定为：水平向右为z轴方向，垂直z轴向上为y轴方向，垂直yoz平面纸面向里为x轴方向的右手坐标系，坐标原点位于人眼位置中心。

如图1和图2所示，一种大视场角大出瞳的增强现实显示系统，包括：图像源6、离轴投影系统和半透半反镜片2，图像源6产生虚拟现实的虚拟信息，虚拟信息依次经过离轴投影系统的折射后经半透半反镜片2反射进入人眼1(如图1所示)；真实场景光线经半透半反镜片2的投射后进入人眼1(如图2所示)。

图像源6为对角线长度为0.5英寸的微型显示器。

离轴投影系统包括三个球面或非球面的折射透镜，三片折射透镜相互不共轴，从人眼1位置到图像源6，三片折射透镜均为旋转对称结构，分别为第一镜片3、第二镜片4和第三镜片5，三个折射透镜的总共6个工作面3-1、3-2、4-1、4-2、5-1和5-2，6个工作面的面型满足方程(1)，方程(1)中用(x，y，z)表示表面上点的位置坐标值：

其中c是曲面顶点处的曲率，k是曲面的二次曲面常数，ai是曲面的i阶非球面系数。

从离轴投影系统的第一镜片3的工作面3-1到图像源6的距离为22.11mm，体积较小。

半透半反镜片2为菲涅尔透镜，菲涅尔透镜的凹槽内镀半透半反膜后用相同折射率的材料填平，真实场景的光线依次透过填平材料、半透半反膜和菲涅尔透镜，进入人眼。半透半反膜的透射率为50％。

菲涅尔透镜的面型满足方程(2)：

z＝mod(z1，δh)(2)

其中z1满足方程(1)，δh表示结构矢高。

本实施例的增强现实显示系统的面型数据具体如表1所示。

本实施例的出瞳直径为6mm，对角视场为60度。

表1本实施例的增强现实显示系统的面型数据(r＝1/c)

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。