[發明專利]一種大視場角大出瞳的增強現實顯示系統

在審

• 申請號: 201710242352.1
• 申請日: 2017-04-13
• 公開（公告）號: CN106997100A
• 公開（公告）日: 2017-08-01
• 發明（設計）人: 張卓鵬;魏一振
• 申請（專利權）人: 杭州光粒科技有限公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及增強顯示顯示技術領域，尤其涉及一種大視場角大出瞳的增強現實顯示系統。

背景技術

增強現實技術(AR)是一種將虛擬信息疊加到真實世界的顯示技術，可廣泛應用于軍事、醫療、教育、制造、娛樂等領域。隨著增強現實元年的到來，增強現實眼鏡越來越被大眾所熟知，產品也逐漸往消費者市場蔓延。

作為頭戴式系統，考慮到佩戴者舒適度等問題，需要約束其結構的尺寸及重量，這同時也限制了該類目鏡系統的視場角、出瞳等光學參數。目前市場上的增強現實眼鏡都存在視場角小、出瞳不足等問題，這會導致用戶體驗缺乏沉浸感。

微軟于2015年1月發布了一款基于全息波導顯示的增強現實眼鏡Hololens。全息波導由于僅僅起到光線傳輸的作用，并沒有透鏡成像的功能，因而視場角并不能做到很大。Hololens的視場角在30度左右，還有很大的提升空間。

光學自由曲面棱鏡的應用能有效提高增強現實顯示系統的視場角及出瞳等參數。公開號為CN101359089B的中國專利文獻公開了一種自由曲面棱鏡頭盔顯示器光學系統，包括一個具有三個光學表面的自由曲面棱鏡和一個微型圖像顯示器，從觀察者側到像源方向，自由曲面棱鏡依次為第一表面、第二表面和第三表面，第一表面為凹面形狀的透射面；第二表面為凹面形狀的反射面，起放大圖像的作用，外側鍍有反射膜層；第三表面為凹面形狀的透射面，該光學系統的實際光路為微型液晶顯示器件發出的光線，先經過第三表面透射進入自由曲面棱鏡，然后在第一表面內側上發生全反射，經過第二表面反射，最后再次經過第一表面透射至人眼。該自由曲面棱鏡對角線視場可達到60度，出瞳直徑8mm；但是為了不使外界場景觀看時發生傾斜和變形，需要膠合一塊補償棱鏡來補償光線的偏移和傾斜，增加了加工工藝的復雜程度。

發明內容

本發明提供了一種大視場角大出瞳的增強現實顯示系統，作為增強現實眼鏡的顯示器件，解決了視場角小畫面顯示不全、出瞳小丟失畫面等問題。

一種大視場角大出瞳的增強現實顯示系統，包括：

圖像源，用于產生虛擬現實的虛擬信息；

離軸投影系統，至少包括三片球面或非球面的折射透鏡，各片折射透鏡相互不共軸；

半透半反鏡片，設有衍射結構且鍍有半透半反膜；

所述的虛擬信息依次經過離軸投影系統的折射后經半透半反鏡片反射進入人眼；真實場景光線經半透半反鏡片的投射后進入人眼；

其中，離軸投影系統中的折射透鏡均為旋轉對稱結構，其表面面型滿足方程(1)，方程(1)中用(x，y，z)表示表面上點的位置坐標值：

其中c是曲面頂點處的曲率，k是曲面的二次曲面常數，A_i是曲面的i階非球面系數。

本發明的增強現實顯示系統通過離軸投影系統的折射改變圖像源產生的虛擬信息的光路，增大虛擬圖像的視角和出瞳，再經半透半反鏡片的反射后進入人眼，半透半反鏡片具有衍射結構，可進一步改變虛擬信息的光路，增大虛擬圖像的視角和出瞳；真實場景光線經半透半反鏡片的投射后進入人眼，半透半反鏡片的衍射結構改變真實場景的光線，增大現實圖像的視角和出瞳。

圖像源可以為OLED顯示屏、LCD液晶顯示屏或LCOS，尺寸為市面上能購買到的小型尺寸。

作為優選，所述的離軸投影系統中折射透鏡至少一片為自由曲面透鏡。離軸投影系統中折射透鏡可采用密度較小的材料制成，佩戴時不會對使用者頭部造成壓力。

作為優選，所述的衍射結構為菲涅爾紋理結構或全息光柵結構。本發明中的半透半反鏡片中的衍射結構，可改變光線的光路，但是對透過半透半反鏡片的光線不起任何匯聚或發散作用，起到擴大視角的效果。

進一步優選的，所述的衍射結構為菲涅爾紋理結構，菲涅爾紋理結構的凹槽內鍍設半透半反膜后使用與半透半反鏡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爾紋理結構的凹槽，外部光線透過半透半反鏡片時不會發生傾斜或變形。

進一步優選的，所述的衍射結構為菲涅爾紋理結構，所述的菲涅爾紋理結構的面型滿足方程(2)：

z＝mod(Z₁，Δh)(2)

其中Z₁滿足方程(1)，Δh表示結構矢高。

另一種優選方案為：所述的衍射結構為全息光柵結構，所述的半透半反鏡片包括透明平面透鏡以及依次貼附在透明平面透鏡上的全息光柵薄膜和半透半反膜。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：