[實用新型]一種增強現實式頭戴顯示器及其光路結構

有效

• 申請號: 201621276061.1
• 申請日: 2016-11-25
• 公開（公告）號: CN206224056U
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 舒新煒;董若
• 申請（專利權）人: 上海渺視光學科技有限公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01;G02B5/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型涉及增強現實技術領域，尤其涉及一種增強現實式頭戴顯示器及其光路結構。

背景技術

增強現實(Augmented Reality，簡稱AR)，是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像的技術，這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。這種技術由1990年提出，隨著隨身電子產品運算能力的提升，預期增強現實的用途將會越來越廣。

目前增強現實領域實用的棱鏡多為45°反射式，棱鏡的尺寸較大，重量大，而且視場角較小，成本非常高，且實際效果不好，降低了用戶體驗滿意度。

頭戴式顯示器通過一組光學系統(主要是精密光學透鏡)放大超微顯示屏上的圖像，將影像投射于視網膜上,進而呈現于觀看者眼中大屏幕圖像的裝置。

頭戴式顯示器(Head Mounted Display)是近年來顯示領域的熱門產品，用于虛擬現實和增強現實的頭戴圖像顯示裝置取得了長足的發展。由于頭戴顯示裝置安裝在觀察者的頭部，因此它必須結構緊湊、重量輕，以減輕觀察者的負載。頭盔顯示器主要由三個部分構成：顯示部件、光學系統和卡環，要減輕重量，光學系統是關鍵，但光學系統的緊湊型與頭戴顯示器對光學系統成像質量的要求之間存在一定的矛盾。對于頭戴顯示器而言，要求光學系統可以做到比較大的視場和出瞳直徑，因為觀察視場的增加，觀察范圍也會增加，觀察者才能更全神貫注的觀察優質的動態圖像，出瞳直徑增加可以保證卡環適應不同瞳距的觀察者，而不必調整顯示器的瞳距，同時允許觀察者在觀察過程中眼珠能隨意轉動而不至于丟失圖像。但光學系統的視場、出瞳直徑、焦距三者之間有相互制約的關系，同時達到大視場，大出瞳直徑和短焦(即系統的緊湊化)并不容易。另外，像面的照度的均勻性也對使用頭盔顯示器觀看時的觀看質量有明顯影響，光學系統需要兼顧上述多種需求。

現有的頭戴式顯示器中必須通過透鏡或透鏡組對光源所發出的光線進行折射，用來放大光線最終在人眼中所呈像的大小，常規的應用由于光路設計的簡陋和結構的緊湊性，這些透鏡的排放往往都是同軸的，但這種同軸的設計已經不能滿足現有使用者關于大視場角的需求，同軸的擺放限制對于外界光源的有效放大；同時現有的透鏡組和棱鏡本身在設計上也存在諸多問題。

實用新型內容

本實用新型要解決的問題是：提供一種增強現實式頭戴顯示器及其光路結構。

本實用新型的技術方案如下：一種光路結構，包括顯示器件、透鏡組、波導棱鏡和光闌，所述顯示器件發出的光依次經過透鏡組、波導棱鏡和光闌最終進入人眼，其特征在于：

所述透鏡組由不少于3個的透鏡組成，任一所述組成透鏡組的透鏡其光軸平行但不重合；在組成所述透鏡組的透鏡中，有且僅有一個透鏡的一個面為軸對稱雙二次曲面，該透鏡的另一面以及其余透鏡的面均為旋轉對稱的非球面；

所述波導棱鏡包括材質相同的多曲面棱鏡和補償棱鏡；

所述多曲面棱鏡上包含5個光學作用面：第一光學面、第二光學面、第三光學面、第四光學面和第五光學面；一束光經第一光學面折射后進入多曲面棱鏡，之后依次在第二光學面反射，第一光學面反射，第三光學面反射、第五光學面反射、第四光學面反射，最后經第五光學面折射而出；

所述第一光學面、第二光學面、第四光學面為軸對稱的雙二次曲面，其面型方程為：

其中，

R_x和R_y分別為x和y方向的曲率半徑，k_x和k_y分別為x和y方向的二次曲面系數；

所述補償棱鏡上設有入射面和補償面，所述補償面和第四光學面互補；另一束光經入射面折射后進入補償棱鏡，之后依次經過補償面折射出補償棱鏡、第四光學面折射進入多曲面棱鏡，最后經過第五光學面折射出多曲面棱鏡。

進一步，所述透鏡組由不少于3個的透鏡組成，其中至少有一個正透鏡和一個負透鏡，且正、負透鏡之間的阿貝數差的絕對值大于20小于40，任一所述透鏡的折射率在1.48至1.65之間。

進一步，任一所述透鏡組中的透鏡，其前后表面的光軸均重合。

進一步，任一所述組成透鏡組的透鏡其表面均鍍有增透膜。

進一步，所述第一光學面、第二光學面以及第四光學面都分別關于x軸和y軸對稱。

進一步，所述第一光學面為柱面，其R_x＝0，K_x＝0。

進一步，所述第三光學面和第五光學面為平面，且互相平行。