头戴式显示器的光学装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种头戴式显示器的光学装置，该光学装置包括直下式mini LED背光模组、光纤膜、LCD面板和成像透镜。光纤膜，其包括光纤阵列，所述光纤阵列的一端具有用于接收所述面光源的耦合光输入表面，所述光纤阵列的另一端具有物理上面向眼睛方向并用于发射光的耦合光输出表面，其中，所述耦合光输入表面的表面积不小于所述耦合光输出表面的表面积以提升所述面光源的出光亮度。本发明专利技术的头戴式显示器的光学装置，其具有出光角度窄、光学损失少的特点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
头戴式显示器的光学装置


[0001]本专利技术涉及光学系统和显示
，尤其涉及一种头戴式显示器的光学装置。

技术介绍

[0002]头戴式显示器(Head Mounted Display，HMD)广泛应用于各种领域，包括工程设计，医学手术实践，军事模拟实践和视频游戏。例如，用户在玩视频游戏时佩戴HMD，用户可以在虚拟环境中获得更多的交互体验。与其他类型的显示设备不同，HMD直接戴在用户的头上，因此HMD可以直接与用户的面部接触，但是这也会带来两方面的问题。一方面，HMD内部使用了一定数量的LED芯片，这些芯片产生的大量热量会直接辐射到用户的面部，给用户带来不适；另一方面，典型的主动冷却装置，例如风扇，用于冷却HMD内部的电路，这些冷却装置通常是笨重且昂贵的，从而增加了HMD的尺寸，重量和成本。因此，以上两方面的问题致使HMD不适合长时间（超过1小时）的戴在用户的头上。美国专利US20200200962A1在侧入式的背光模组上设置多个提取特征，其具有跨越波导的一个或多个表面的空间分布。多个提取特征将来自波导的光向外耦合并且空间分布使得向外耦合的光具有第一非均匀亮度分布以补偿显示面板非均匀亮度分布，使得引导到用户眼睛的图像光具有目标亮度分布。但是，侧入式的背光模组增加了HMD的重量和能耗，因而直下式mini LED背光模组提供了更优的解决方案。
[0003]但是，采用直下式mini LED背光模组作为背光源时，一方面需要提高和增强HMD图像成像的对比度和亮度；另一方面，HMD也不能使用过多的mini LED芯片或者高密度排布的mini LED背光模组，因为这样会增加能耗，而且散热问题也难以解决。为此，为采用更少的mini LED芯片或密度更低的直下式mini LED背光模组，在不增加能耗和解决散热问题的同时，提升直下式mini LED背光模组的面光源传输到LCD面板进行图像成像的光能利用率，同时能够保持HMD图像成像的对比度和亮度。那么同时达到以上参数要求，就需要尽可能的减少直下式mini LED背光模组的面光源传输到用户眼睛的光学过程中的光学损失。但是，以上需求对光学系统的设计提出了非常高的要求。
[0004]另外，传统的光学装置的角发散的范围可超过160度，甚至接近180度，在直接观看时，这种广角光通常并不引起非期望的视觉效果。然而，当在虚拟现实或增强现实的HMD中采用传统的光学装置时，广角发射的光以超出透镜成像能力的入射角照在HMD的透镜上时，此类光将不能正确地成像到用户的一只或两只眼睛，也即是，以超出HMD的一个或多个透镜的聚焦能力的角度射入的光会导致非期望的视觉效果，例如泛光照明、重影、眩光、散射和其他杂散光效果。这种杂散的非成像光可导致虚拟现实或增强现实HMD的用户体验到非期望的视觉伪影。为此减小光学装置的角发散范围是解决上述视觉伪影问题的关键。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种出光角度窄、光学损失少的头戴式显示器的光学装置。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是提供一种头戴式显示器的光
学装置，其包括：直下式mini LED背光模组，其用于产生面光源；光纤膜，其包括光纤阵列，所述光纤阵列的一端具有用于接收所述面光源的耦合光输入表面，所述光纤阵列的另一端具有物理上面向眼睛方向并用于发射光的耦合光输出表面，其中，所述耦合光输入表面的表面积不小于所述耦合光输出表面的表面积以提升所述面光源的出光亮度；LCD面板，利用辐射到其上的所述面光源来产生显示图像，所述LCD面板设置在所述光纤膜的出光面上并与所述耦合光输出表面对准；成像透镜，设置在所述LCD面板的出光面上并与所述LCD面板的出光面对准，以在佩戴头戴式显示器时，使得从所述LCD面板发出的显示图像聚焦到眼睛。
[0007]所述直下式mini LED背光模组的出光面上设置有多个微透镜结构，所述微透镜结构与所述光纤阵列中的光纤形成周期性对应分布。所述LCD面板为扭曲向列型LCD面板。
[0008]光学装置的光学路径本专利技术的光学装置的光学路径简化为5个阶段：a)第一阶段，从直下式mini LED背光模组辐射出来的面光源，先经直下式mini LED背光模组出光面上的微透镜结构进行折射和全反射，使得面光源的出光角度会有一定的偏转，趋向于准直光，从而使得出射光能够在光纤的纤芯和包层之间的界面发生全内反射而传播，减少因出射光辐射至包层而造成的光学损失，增加光在光纤内的光能传递效率。
[0009]b)第二阶段，光入射光纤膜后，光在光纤的纤芯中实现全反射传输。在该阶段中，光纤损耗可以被忽略。同时，光在光纤中传输时，基本上不会发散或者是会聚，这样限制了光纤膜的出光的角度，实现窄角度出光。进一步的，结合耦合光输入表面的表面积不小于耦合光输出表面的表面积。因此，光在光纤中传输前后的能量接近无损的条件下，通过耦合光输出表面收窄出光面积，导致光通量（luminous flux）提升，增加出光亮度。
[0010]c)第三阶段，从光纤膜辐射的窄角度、高亮度的出光，入射LCD面板产生高对比度的显示图像。因LCD面板呈现的图像是立体曲面的效果，会出现图像显示的非均匀性，mini LED背光模组中光源的可控性，能够对头戴式显示器(HMD)视场图像进行全视场光学补偿，改善显示图像的均匀性，实现高亮度、高对比度、区域调光(Local dimming，HDR)型显示。进一步的，LCD面板为采用TN型液晶面板，在虚拟现实或增强现实的HMD，用户的视角是固定的，TN型液晶面板的小视角出光正好满足需求，再结合光纤膜中的光纤本身就能够收窄出光角，TN型液晶面板的使用能够进一步限制出射光的扩散，实现窄角度出光，还能够减少光损。
[0011]d)第四阶段，从LCD面板辐射的窄角度、高亮度的出光，入射成像透镜。
[0012]e)第五阶段，成像透镜校正与图像光相关联的光学像差，并且将校正后的图像光呈现给头戴式显示器的用户。
[0013]本专利技术的光学装置，其一，由于每个微透镜结构和每个光纤一一对应设置，一方面可以使直下式mini LED背光模组的面光源出光更加均匀；另一方面使得面光源的出光角度会有一定的偏转，使得进入光纤的光其入射角都在光纤的接收锥范围内，从而使得出射光能够在光纤膜内发生全反射，从而才能使得光沿着光纤传输而不会泄露出去，进而增加光在光纤膜内的光能传递效率。由于光在光纤膜内传输后不会扩散或会聚，使得经光纤膜传
播的出射光具有窄角度出光，并入射到LCD面板上进行图像显示。其二，mini LED背光模组中的每个光源都是可驱动控制开闭的，能够对头戴式显示器(HMD)视场图像进行全视场光学补偿，实现高亮度背光、区域调光(Local dimming，HDR)型背光。再结直下式合mini LED背光模组的出光面设置的微透镜结构，不仅光损少、出光均匀，而且实现全视场的光学补偿，使得头戴式显示器(HMD)显示的曲面图像能够实现均匀高亮度，提高显示图像质量，给用户提供更优质的视场体验。其三，由于耦合光输入表面的表面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种头戴式显示器的光学装置，其特征在于，包括：直下式mini LED背光模组，其用于产生面光源；光纤膜，其包括光纤阵列，所述光纤阵列的一端具有用于接收所述面光源的耦合光输入表面，所述光纤阵列的另一端具有物理上面向眼睛方向并用于发射光的耦合光输出表面，其中，所述耦合光输入表面的表面积不小于所述耦合光输出表面的表面积以提升所述面光源的出光亮度；LCD面板，其用于产生显示图像，所述LCD面板设置在所述光纤膜的出光面上并与所述耦合光输出表面对准；成像透镜，设置在所述LCD面板的出光面上并与所述LCD面板的出光面对准，以在佩戴头戴式显示器时，使得从所述LCD面板发出的显示图像聚焦到眼睛；其中，所述直下式mini LED背光模组的出光面上设置有多个微透镜结构，所述微透镜结构与所述光纤阵列中的光纤形成周期性对应分布。2.根据权利要求1所述的头戴式显示器的光学装置，其特征在于：组成所述光纤阵列的各个光纤，其在组成所述耦合光输入表面的输入端的横截面大于组成所述耦合光输出表面的输出端的横截面。3.根据权利要求1所述的头戴式显示器的光学装置，其特征在于：所述光学装置还包括折射材料层，其设置在所述耦合光输出表面和所述LCD面板之间，所述折射材...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小齐，庄世强，彭益，
申请(专利权)人：深圳市隆利科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：