波导式的头戴显示器的光学装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种波导式的头戴显示器的光学装置，其至少包括显示装置和光学波导片，光学波导片靠近耳朵一侧的侧端部位设有光线耦合输入结构，光线耦合输入结构与显示装置相对设置，光学波导片的至少一个侧面设有光学反射面，光学波导片的外侧面设有锯齿形V槽状的微结构阵列面，锯齿形V槽状的微结构阵列面能够将传输过来的光线进行一个特定角度的反射偏转，偏转后的光线透过光学波导片输出，最后进入人眼中，在人眼正前方远处呈现一个放大的虚像，光线在其上的反射仅仅是一次反射，其反射的光线是有序的，其依次将传导图像的光束反射输出至人眼中，锯齿之间不会遗漏某些像素的光线，其可耦合输出完整的图像，传输过程中图像的像素不会被打乱。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及显示设备
，更具体地说，是涉及一种波导式的头戴显示器的光学装置。
技术介绍
随着VR(虚拟现实)以及AR(增强现实)显示技术在娱乐、医疗、工业、和军事领域的快速发展及普及，波导式的头戴显示器由于其光学波导片较薄(其厚度可以做得和普通的眼镜片类似)、比较容易获得高清晰度大视野的图像、加工相对容易、重量轻，获得了行业的广泛青睐并将成为未来较长时间的一个发展方向。目前，现有头戴显示器主流的波导技术主要分为全息波导和半透膜阵列波导两类。其中，全息波导式的头戴显示器，其基本结构的特征为：其采用至少一片反射式的全息光栅(闪耀光栅)将光束偏转一个角度并反射进波导片中，在波导片内进行多次全反射传输，以及采用至少一片全息反射光栅(闪耀光栅)再将光束从波导片中取出。其所代表的有日本索尼提出的公开号为CN1774661A的专利技术。如附图1所示，其波导片13外侧的左右两边粘合了2片反射式的全息衍射光栅(或闪耀光栅)14和15，全息光栅14首先对目镜12的出瞳光束进行一个角度的反射偏转，偏转后的反射光进入到波导片13的内部，随后在波导片13内外两侧壁13a和13b之间进行多次全反射，最后入射到左边的全息光栅15上，全息光栅15再对入射过来的光束沿着与全息光栅14相反的方向进行一个角度的反射偏转，最后光束沿着垂直于波导片的方向进入到人眼并在正前方的远处形成一个显示器中放大的虚像。该结构具有厚度薄、重量轻的特点。但系统光能利用率比较低，对光栅的精度要求比较高，衍射引入的杂光和色散比较严重而且矫正
方法复杂，相对只比较适合单色光(譬如绿光)的图像显示。对于多色光，需要采用上下两片波导片、以及在波导片两端放置上下两组全息光栅的组合才能达到比较好的彩色图案显示的效果。附图2为索尼公司提出的双片式波导头戴式显示器的光学装置的结构，其由上下两片波导片组成。下方的波导片只反射和传输绿光，下方波导片左右两端的全息光栅只反射和偏转绿光，同时透过红蓝光。而上方的波导片传输红蓝光，上方波导片左右两端的全息光栅反射和偏转红蓝光。上方波导片的红蓝光束，及下方波导片的绿色光束，通过左侧位于眼睛前面的两组全息光栅反射和偏转之后重新组合在一起，才能形成一个全彩的图案。双片式波导头戴式显示器的主要缺陷为：1.在这个结构中，颜色是分开传导的，也就是上方一片和下方一片波导片传导不同颜色的光，到眼睛前面再通过2块光栅会聚到一起。容易造成的不良问题是：上下两片波导存在2个波导厚度的光程差，将2种颜色的光叠加在一起，像面容易造成红蓝分开的色差。2.左右需要4片全息光栅，生产效率低下，品质良率控制难，造成制作成本高，不利于大批量的生产与应用。3.对全息光栅的加工精度要求非常高，需要极为精密及繁杂的制作工艺，生产品质一致性控制难。4.全息光栅片与波导片无法采用一体成型，需要复杂及精密的组装工艺才可满足生产条件，上方波导片的红蓝光，和下面波导片的绿光需要非常精密的重合校正、非常精准的对齐，才能矫正色差。如果光栅本身的加工精度误差稍大，其误差会对反射光的偏转角会产生一定的偏差，累计4片的误差，除了容易产生色差问题之外，还容易存在重影的品质问题。并且，受光栅制作精度误差与光学波导结构的缺陷的制约，从而造成视场的角度不够大的问题。另一种，现有波导式头戴显示器的另一种技术方案为半透膜阵列波导式的头戴显示器技术，其所代表的有图3所示的以色列公司Lumus提出的公布号为US7577326和US20080025667的专利技术。其中，公布号为US20080025667所述的半透膜阵列波导式头戴显示
器，其光学装置中的光学波导片位于人眼出瞳的位置由等间距或者变间距排布半透膜22倾斜地内嵌于基底构成；显示屏幕片放置于波导片的右侧，目镜系统位于微显示屏和倾斜棱镜66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平面72耦合到倾斜棱镜66中，经过第一全反射面68的全反射之后，平行光束耦合进光学波导片20中，并在波导片内部进行多次全反射，最后通过半透膜阵列波的反射偏转，入射到人眼中，从而获得微显示屏上的显示信息。该专利所述的半透膜阵列22，其实为一片片镀有半透半反膜的平板玻璃，按照一定的倾斜角度整齐地排列放置。所述半透膜阵列波导式的头戴显示器光学装置，其波导技术利用倾斜地内嵌于波导基底内的半透膜阵列22的折射和反射实现了目镜出瞳的扩展。与上述索尼提出的图1和图2的采用全息光栅的波导技术相比，由于没有光栅的衍射形成色差，其色散小，容易实现彩色图像显示。但是该项技术对于半透膜阵列22的间距、以及半透膜倾斜角度的要求也非常严格。由于进入到眼瞳中的光束是由等间隔的半透膜反射的光束拼接而成的，半透膜的间距和倾斜角度的误差会导致图像的重影、像素丢失、以及图像锯齿形周期性的变形。另外图像的视角也比较窄。制作方面，由于波导片由等间距或者变间距排布的半透膜倾斜地内嵌于基底构成，其半透膜阵列的排列需要非常精准的位置度及面型精密性，由于其及制作工艺复杂，成品效率不高等因素，其技术方案也不利于大批量的生产与应用。另外，如附图4所示，美国的Google公司还提出了提出公布号为US8189263的一种基于一维和二维反射面结构阵列的波导式头戴显示器技术，其靠近显示屏幕片的耦合输入面220的反射面结构为一维阵列，所述的反射面结构，其由等间隔的斜面和平面构成。另一端靠近人眼的耦合输出面210，则为二维的反射面结构阵列，其由一颗颗小的棱镜状的反射面结构，错开一定距离、等间隔排列而成。微棱镜的形状也是由斜面和平面构成。一方面，耦合输出端210的微棱镜中的平面可以让波导片外侧的光直接穿过，人眼可以直接看到波导片
外侧的场景，另一方面，耦合输出端210的微棱镜中的斜面，可以将从左边显示屏幕片耦合进来、并在波导片中全反射多次的光线，进行全反射并耦合输出到人眼，在人眼的正前方形成一个虚像。从而形成真实场景与虚拟场景叠加的增强现实的效果。但是这种波导技术有明显的技术缺陷：其一，耦合输入端的反射面结构220，其由等间隔的斜面和平面构成，反射面结构上的平面部分由于不能反射从显示屏幕片发出的光线、无法将完整的光线偏转并在波导片内部多次全反射传导到右边的耦合输出端，导致传导到人眼的图像部分丢失。其相当于在显示屏幕片上设置了一个黑白相间的视场光阑，这种结构会导致显示器的像素部分丢失和分辨率降低。其二，耦合输出端的反射面结构210，由于其为二维的反射面结构阵列，其由一颗颗小的棱镜状的反射面结构、隔开一定距离、等间隔、错开排列而成。这些反射面结构之间的空隙为平面，如其专利中所描述的，从波导片左边耦合输入并全反射从显示屏发出的光线，部分光线入射到这些反射面结构之间空隙平面上，经平面反射后还会继续在波导片内全反射到下一个位置，其至少再经过两次的全反射或多次的全反射，直到碰到下一个反射面结构上的斜面才能被反射耦合输出到人眼，而相邻位置入射到反射面结构的斜面上的另一部分光线，则直接被斜面全反射耦合输出到人眼。这种结构相当于将显示屏幕片上原本有序排列的像素分离成不同的位置投射到人体眼睛上，部分像素需要相隔很远的距离在另外一个位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波导式的头戴显示器的光学装置，包括显示装置和光学波导片，其特征在于：所述光学波导片靠近耳朵一侧的侧端部位设有用于将显示装置输出的图像光线输入到光学波导片内部的光线耦合输入结构，所述光线耦合输入结构与显示装置相对设置，所述光学波导片的外侧面和内侧面分别设有互相反射从而将经过光线耦合输入结构输入的图像光线进行至少一次全反射传输的光学反射面，所述光学波导片的外侧面正对人眼区域的位置设有用于使图像光线在其上的反射仅仅是一次反射且使反射的图像光线有序的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面，所述光学波导片的内侧面正对人眼区域的位置设有输出面，其中，所述第一微结构阵列面具有至少两个依次设置的锯齿，相邻两个锯齿之间设有由两个斜面构成的V形槽，并且其中一个斜面设置为光线反射斜面，所述第一微结构阵列面的每个V形槽中的光线反射斜面依次将光学波导片内侧面的光学反射面反射过来的图像光线以单次反射并以相反的方向进行一个特定角度的反射偏转从而使其从输出面输出，以最终输出完整图像。

【技术特征摘要】
1.一种波导式的头戴显示器的光学装置，包括显示装置和光学波导片，其特征在于：所述光学波导片靠近耳朵一侧的侧端部位设有用于将显示装置输出的图像光线输入到光学波导片内部的光线耦合输入结构，所述光线耦合输入结构与显示装置相对设置，所述光学波导片的外侧面和内侧面分别设有互相反射从而将经过光线耦合输入结构输入的图像光线进行至少一次全反射传输的光学反射面，所述光学波导片的外侧面正对人眼区域的位置设有用于使图像光线在其上的反射仅仅是一次反射且使反射的图像光线有序的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面，所述光学波导片的内侧面正对人眼区域的位置设有输出面，其中，所述第一微结构阵列面具有至少两个依次设置的锯齿，相邻两个锯齿之间设有由两个斜面构成的V形槽，并且其中一个斜面设置为光线反射斜面，所述第一微结构阵列面的每个V形槽中的光线反射斜面依次将光学波导片内侧面的光学反射面反射过来的图像光线以单次反射并以相反的方向进行一个特定角度的反射偏转从而使其从输出面输出，以最终输出完整图像。2.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光线耦合输入结构包括设置在光学波导片靠近耳朵一侧的侧端部位的耦合输入部、设置在耦合输入部末端的耦合输入面和用于对从耦合输入面输入的图像光线进行全反射偏转使其偏转进入到光学波导片外侧面的光学反射面的第一全反射面，所述第一全反射面设置在耦合输入部的侧面并与光学波导片的外侧面倾斜设置，所述耦合输入面正对着显示装置。3.根据权利要求2所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述第一全反射面设置为平面、自由曲面、超环面、X和Y方向的曲率半径不同的离轴二次曲面、多项式曲面或者X和Y方向的曲率半径及锥度系数均不同的双锥系数曲面。4.根据权利要求2所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述第一全反射面的中心点切面与显示装置的中心光轴的夹角为θ，所述第一微结构阵列面的V形槽中的光线反射斜面与经过人眼瞳的垂直光轴的夹角为α，所述显示装置的中心光轴依次经过第一全反射面和光学反 射面的反射后最终射入到第一微结构阵列面的V形槽中的光线反射斜面上的反射光线与经过人眼瞳的垂直光轴的夹角为β，其中，三个夹角存在以下关系：β＝2θ；α＝π/2-θ。5.根据权利要求4所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述第一全反射面的中心点切面与显示装置的中心光轴的夹角为θ为15°～40°。6.根据权利要求5所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述第一全反射面的中心点切面与显示装置的中心光轴的夹角为θ为33°。7.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光线耦合输入结构包括设置在光学波导片靠近耳朵一侧的侧端部位的耦合输入部和设置在耦合输入部末端的耦合输入面，所述耦合输入面正对着显示装置，所述显示装置输出的图像光线经过耦合输入面后直接投射到光学波导片外侧面的光学反射面。8.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光线耦合输入结构包括设置在光学波导片的内侧面且靠近耳朵一侧的耦合输入面和设置在光学波导片的外侧面且靠近耳朵一侧的锯齿形V槽状的第二微结构阵列面，所述第二微结构阵列面具有至少两个依次设置的锯齿，相邻两个锯齿之间设有由两个斜面构成的V形槽，并且其中一个斜面设置为光线反射斜面，所述第二微结构阵列面的锯齿形状与光学波导片的第一微结构阵列面的锯齿形状对称设置，两者的V形槽的斜面倾斜方向刚好相反，所述第二微结构阵列面和耦合输入面正对着显示装置，所述第二微结构阵列面的每个V形槽的光线反射斜面依次将显示装置射入到光学波导片内的图像光线反射偏转进入到光学波导片内侧面的光学反射面。9.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述耦合输入面设置为平面、圆柱面、球面、非球面、自由曲面、混合曲面、斜面、菲涅尔曲面或者带有V槽轮廓的直纹面。10.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光学波导片内侧面的光学反射面与光学波导片外侧面的光学反射面平行设置或者非平行设置，两光学反射面为平面、带有弧度的曲面或者自由曲面。11.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述输出面设置为凸出的带有光焦度的非球面、球面、菲涅尔面或者与光学波导片重合的平面。12.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述第一微结构阵列面的所有锯齿组成一个等间距或者渐变间距的倾斜锯齿结构。13.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光线反射斜面设置为带有反射膜、部分反射膜或者半反半透膜的光线反射斜面。14.根据权利要求13所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：当所述光线反射斜面设置为带有部分反射膜或者半反半透膜的光线反射斜面时，所述光学波导片的第一微结构阵列面的外侧设有与其紧贴组合的补偿镜，所述补偿镜朝向光学波导片的第一微结构阵列面的内侧面上设有锯齿形V槽状的第三微结构阵列面，所述第三微结构阵列面具有至少两个依次设置的锯齿，相邻两个锯齿之间设有由两个斜面构成的V形槽，所述补偿镜的第三微结构阵列面的锯齿形状与光学波导片的第一微结构阵列面的锯齿形状完全镜像，所述第三微结构阵列面的V形槽的斜面上设有增透膜，所述补偿镜的第三微结构阵列面与光学波导片的第一微结构阵列面的正负折射角度正好完全补偿，从而使光路沿原路直线向前。15.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述显示装置设置为至少一片显示屏幕片，所述显示屏幕片的轮廓形状为平板状、圆弧状或者球体状，所述显示屏幕片包括OLED显示器、LCD显示器或者LCOS显示屏。16.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光线耦合输入结构与显示装置之间设有成像目镜组，所述成像目镜组具有至少一片透镜，所述透镜的面型设置为非球面、球面、菲涅尔面或者二元光学面。17.根据权利要求16所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述成像目镜组由三片非球面的透镜组成，其将像差进行矫正，并将显示装置的显示图像进行放大，以及对出射光束进行角度压缩，角度压缩后以接近于平行光的光束入射到光学波导片中。18.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征 在于：所述显示装置与光线耦合输入结构之间依次设有补偿透镜组和变倍透镜组，所述补偿透镜组和变倍透镜组能够沿着光轴方向做非线性速率的移动，以实现光学系统焦距长短的变化，从而改变显示图像大小。19.根据权利要求18所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光学波导片的输出面和人眼之间设有前固定透镜组。20.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光学波导片的输出面和人眼之间设有用于矫正近视眼使用者的视力的负透镜或者用于矫正老花眼使用者的视力的正透镜。21.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光学波导片与第一微结构阵列面为一体成型结构。22.根据权利要求1所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光学波导片和第一微结构阵列面分别为独立结构，所述第一微结构阵列面设置为连接在光学波导片上的一种光学组件。23.根据权利要求22所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光学组件设置为光学薄膜，所述光学薄膜通过光学胶粘连在光学波导片上。24.根据权利要求23所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光学胶的折射率和光学波导片的折射率相同。25.一种波导式的头戴显示器的光学装置，包括显示装置和光学波导片，其特征在于：所述光学波导片靠近耳朵一侧的侧端部位设有用于将显示装置输出的图像光线输入到光学波导片内部的光线耦合输入结构，所述光线耦合输入结构与显示装置相对设置，在所述光学波导片的外侧面和内侧面中，至少在其外侧面设有将经过光线耦合输入结构输入的图像光线进行至少一次全反射传输的光学反射面，所述光学波导片的内侧面正对人眼区域的位置设有用于使图像光线在其上的反射仅仅是一次反射且使反射的图像光线有序的锯齿形V槽状的第一微结构阵列面，其中，所述第一微结构阵列面具有至少两个依次设置的锯齿，相邻两个锯齿之间设有由两个斜面构成的V形槽，并且其中一个斜面设置为光线反射斜面，所述第一微结构阵列面的每个V形槽中的光线反射斜面依次将光学波导片外侧面的光学反射面反射过来且穿过第一微结构阵列面的同一V形槽的另一斜面出射到空气介质中的图像光线以单次反射并以相反的方向进行一个特定角度的反射偏转从而输出完整图像。26.根据权利要求25所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述光线耦合输入结构包括设置在光学波导片靠近耳朵一侧的侧端部位的耦合输入部、设置在耦合输入部末端的耦合输入面和用于对从耦合输入面输入的图像光线进行全反射偏转使其偏转进入到光学波导片外侧面的光学反射面的第一全反射面，所述第一全反射面设置在耦合输入部的侧面并与光学波导片的外侧面倾斜设置，所述耦合输入面正对着显示装置。27.根据权利要求26所述的波导式的头戴显示器的光学装置，其特征在于：所述第一全反射面设置为平面、自由曲面、超环面、X...

【专利技术属性】
技术研发人员：郎欢标，
申请(专利权)人：东莞市长资实业有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44