[實用新型]一種單眼大視場近眼顯示光學系統及頭戴式顯示設備

有效

• 申請號: 201820258297.5
• 申請日: 2018-02-13
• 公開（公告）號: CN208092344U
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 周旭東
• 申請（專利權）人: 成都理想境界科技有限公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本實用新型公開了一種單眼大視場近眼顯示光學系統及頭戴式顯示設備，包括平板光學波導，平板光學波導具有多個輸入耦合光柵以及與各輸入耦合光柵一一對應設置的中繼光柵和輸出耦合光柵，每個輸入耦合光柵均用于將與其對應且具有相應子視場角且與入射光瞳關聯的圖像的全部光束耦合入平板光學波導，并將每一光束引導至相應的中繼光柵，中繼光柵通過衍射每一光束，將每一光束引導到相應的輸出耦合光柵，輸出耦合光柵將每一光束向外衍射，各輸出耦合光柵向外衍射的具有相應子視場角的圖像均可從同一出射光瞳處被觀看且相互拼接，構成一個具有相應大視角的完整圖像，通過圖像拼接，增大設備的單眼視場角。

技術領域

本實用新型涉及增強現實顯示技術領域，尤其涉及一種單眼大視場近眼顯示光學系統及頭戴式顯示設備。

背景技術

增強現實(AR)顯示設備使得用戶能夠透過設備的透明或半透明顯示器來觀看周圍的環境，并且還看到顯示器生成的的圖像覆蓋在周圍環境上。這類設備通常為頭戴式顯示器(HMD)眼鏡或其他可佩帶的顯示設備。設備通常利用光學波導來傳輸圖像，顯示器的光需要通過輸入耦合部耦合入光學波導，同時光學波導內又需要設置中間部件來擴展光瞳，現有輸入耦合部和中間部件的結構使得輸入的圖像的對角線視場角不能超過35度，特別是中間部件結構的制約，因而現有增強現實顯示設備通常只有14-34度的對角線視場角。也有現有技術通過將顯示設備輸入的圖像通過一個輸入耦合部拆分成兩路在光學波導內進行傳播，并通過輸出耦合部來會聚射出，從而達到增大增強現實顯示設備對角線視場角的效果。但這種技術受制于輸入耦合部的結構，其僅能將視場角擴展至接近70度，仍不能達到人們對增強現實顯示設備大視場的期望，不能滿足消費市場的需求。并且輸入耦合部的圖像拆分和輸出耦合部的會聚又帶來了會聚圖像亮度不均勻的技術問題。

實用新型內容

本實用新型的目的在于提供一種單眼大視場近眼顯示設備及頭戴式顯示設備，用以采用拼接的方式實現大視場的近眼顯示。

為了實現上述實用新型目的，本實用新型實施例第一方面提供一種單眼大視場近眼顯示光學系統，包括平板光學波導，平板光學波導具有多個輸入耦合光柵以及與各輸入耦合光柵一一對應設置的中繼光柵和輸出耦合光柵，每個輸入耦合光柵均用于將與其對應且具有相應子視場角且與入射光瞳關聯的圖像的全部光束耦合入平板光學波導，通過衍射每一光束使得所述光束在平板光學波導內滿足所述平板光學波導的內部全反射條件，并將每一光束引導至相應的中繼光柵，中繼光柵通過衍射每一光束，將每一光束引導到相應的輸出耦合光柵，輸出耦合光柵將每一光束向外衍射，使得每一光束不滿足平板光學波導的內部全反射條件，所述輸出耦合光柵向外衍射的全部光束離開平板光學波導并形成圖像，該圖像與相應輸入耦合光柵耦合入平板光學波導的全部光束相關聯的圖像相對應并具有相應的子視場角；

各輸出耦合光柵向外衍射的具有相應子視場角的圖像均可從同一出射光瞳處被觀看且相互拼接，構成一個具有相應大視角的完整圖像，該完整圖像的大視場角是由各輸出耦合光柵向外衍射的圖像相對應的子視場角合并得到。

從而本實用新型是將多個與入射光瞳相關并具有相應子視場角的圖像的光束分別從平板光學波導的不同輸入耦合光柵耦入平板光學波導，不同圖像的光束經過各自相對應的中繼光柵和輸出耦合光柵后一并被引導至出射光瞳，從而可以在出射光瞳同時觀察到所述射出平板光學波導的多個圖像，每個圖像分別用于某個子視場角范圍內的圖像顯示，通過圖像拼接，增大設備的單眼視場角。由于每個與入射光瞳相關并具有相應子視場角的圖像的光束分別通過一個獨立的輸入耦合光柵耦合入平板光學波導，又采用與輸入耦合光柵一一對應設置的中繼光柵和輸出耦合光柵將各個圖像的光束獨立進行引導，因而輸入的與入射光瞳相關并具有相應子視場角的圖像的數量不受限制，本實用新型的每個輸出耦合光柵均能夠輸出最大35°左右的對角線視場角，因而本實用新型整體能獲得目標范圍內的所有視場角，遠遠大于現有設備所能達到的70°的極限。同時本實用新型也不存在一個輸出耦合光柵需要會聚兩個入射光束源的問題，輸出的圖像亮度均勻一致，不需要額外的調節部件或對輸入的圖像進行調制。