本實(shí)用新型涉及顯示設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，是涉及一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置。

背景技術(shù)：

隨著VR(虛擬現(xiàn)實(shí))以及AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))顯示技術(shù)在娛樂、醫(yī)療、工業(yè)、和軍事領(lǐng)域的快速發(fā)展及普及，波導(dǎo)式的頭戴顯示器由于其光學(xué)波導(dǎo)片較薄(其厚度可以做得和普通的眼鏡片類似)、比較容易獲得高清晰度大視野的圖像、加工相對容易、重量輕，獲得了行業(yè)的廣泛青睞并將成為未來較長時(shí)間的一個(gè)發(fā)展方向。

目前，現(xiàn)有頭戴顯示器主流的波導(dǎo)技術(shù)主要分為全息波導(dǎo)和半透膜陣列波導(dǎo)兩類。

其中，全息波導(dǎo)式的頭戴顯示器，其基本結(jié)構(gòu)的特征為：其采用至少一片反射式的全息光柵(閃耀光柵)將光束偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度并反射進(jìn)波導(dǎo)片中，在波導(dǎo)片內(nèi)進(jìn)行多次全反射傳輸，以及采用至少一片全息反射光柵(閃耀光柵)再將光束從波導(dǎo)片中取出。其所代表的有日本索尼提出的公開號為CN1774661A的專利技術(shù)。如附圖1所示，其波導(dǎo)片13外側(cè)的左右兩邊粘合了2片反射式的全息衍射光柵(或閃耀光柵)14和15，全息光柵14首先對目鏡12的出瞳光束進(jìn)行一個(gè)角度的反射偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的反射光進(jìn)入到波導(dǎo)片13的內(nèi)部，隨后在波導(dǎo)片13內(nèi)外兩側(cè)壁13a和13b之間進(jìn)行多次全反射，最后入射到左邊的全息光柵15上，全息光柵15再對入射過來的光束沿著與全息光柵14相反的方向進(jìn)行一個(gè)角度的反射偏轉(zhuǎn)，最后光束沿著垂直于波導(dǎo)片的方向進(jìn)入到人眼并在正前方的遠(yuǎn)處形成一個(gè)顯示器中放大的虛像。

該結(jié)構(gòu)具有厚度薄、重量輕的特點(diǎn)。但系統(tǒng)光能利用率比較低，對光柵的精度要求比較高，衍射引入的雜光和色散比較嚴(yán)重而且矯正方法復(fù)雜，相對只比較適合單色光(譬如綠光)的圖像顯示。對于多色光，需要采用上下兩片波導(dǎo)片、以及在波導(dǎo)片兩端放置上下兩組全息光柵的組合才能達(dá)到比較好的彩色圖案顯示的效果。

附圖2為索尼公司提出的雙片式波導(dǎo)頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)，其由上下兩片波導(dǎo)片組成。下方的波導(dǎo)片只反射和傳輸綠光，下方波導(dǎo)片左右兩端的全息光柵只反射和偏轉(zhuǎn)綠光，同時(shí)透過紅藍(lán)光。而上方的波導(dǎo)片傳輸紅藍(lán)光，上方波導(dǎo)片左右兩端的全息光柵反射和偏轉(zhuǎn)紅藍(lán)光。上方波導(dǎo)片的紅藍(lán)光束，及下方波導(dǎo)片的綠色光束，通過左側(cè)位于眼睛前面的兩組全息光柵反射和偏轉(zhuǎn)之后重新組合在一起，才能形成一個(gè)全彩的圖案。

雙片式波導(dǎo)頭戴式顯示器的主要缺陷為：

1.在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，顏色是分開傳導(dǎo)的，也就是上方一片和下方一片波導(dǎo)片傳導(dǎo)不同顏色的光，到眼睛前面再通過2塊光柵會(huì)聚到一起。容易造成的不良問題是：上下兩片波導(dǎo)存在2個(gè)波導(dǎo)厚度的光程差，將2種顏色的光疊加在一起，像面容易造成紅藍(lán)分開的色差。

2.左右需要4片全息光柵，生產(chǎn)效率低下，品質(zhì)良率控制難，造成制作成本高，不利于大批量的生產(chǎn)與應(yīng)用。

3.對全息光柵的加工精度要求非常高，需要極為精密及繁雜的制作工藝，生產(chǎn)品質(zhì)一致性控制難。

4.全息光柵片與波導(dǎo)片無法采用一體成型，需要復(fù)雜及精密的組裝工藝才可滿足生產(chǎn)條件，上方波導(dǎo)片的紅藍(lán)光，和下面波導(dǎo)片的綠光需要非常精密的重合校正、非常精準(zhǔn)的對齊，才能矯正色差。如果光柵本身的加工精度誤差稍大，其誤差會(huì)對反射光的偏轉(zhuǎn)角會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，累計(jì)4片的誤差，除了容易產(chǎn)生色差問題之外，還容易存在重影的品質(zhì)問題。并且，受光柵制作精度誤差與光學(xué)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的缺陷的制約，從而造成視場的角度不夠大的問題。

另一種，現(xiàn)有波導(dǎo)式頭戴顯示器的另一種技術(shù)方案為半透膜陣列波導(dǎo)式的頭戴顯示器技術(shù)，其所代表的有圖3所示的以色列公司Lumus提出的公布號為US7577326和US20080025667的專利技術(shù)。其中，公布號為US20080025667所述的半透膜陣列波導(dǎo)式頭戴顯示器，其光學(xué)裝置中的光學(xué)波導(dǎo)片位于人眼出瞳的位置由等間距或者變間距排布半透膜22傾斜地內(nèi)嵌于基底構(gòu)成；顯示屏幕片放置于波導(dǎo)片的右側(cè)，目鏡系統(tǒng)位于微顯示屏和傾斜棱鏡66之間，其出瞳平面位于垂直擴(kuò)展波導(dǎo)內(nèi)部；微顯示屏的線視場分布的發(fā)散光通過目鏡系統(tǒng)后變?yōu)榻且晥龇植嫉钠叫泄?，各角視場平行光先后?jīng)過平面72耦合到傾斜棱鏡66中，經(jīng)過第一全反射面68的全反射之后，平行光束耦合進(jìn)光學(xué)波導(dǎo)片20中，并在波導(dǎo)片內(nèi)部進(jìn)行多次全反射，最后通過半透膜陣列波的反射偏轉(zhuǎn)，入射到人眼中，從而獲得微顯示屏上的顯示信息。該專利所述的半透膜陣列22，其實(shí)為一片片鍍有半透半反膜的平板玻璃，按照一定的傾斜角度整齊地排列放置。

所述半透膜陣列波導(dǎo)式的頭戴顯示器光學(xué)裝置，其波導(dǎo)技術(shù)利用傾斜地內(nèi)嵌于波導(dǎo)基底內(nèi)的半透膜陣列22的折射和反射實(shí)現(xiàn)了目鏡出瞳的擴(kuò)展。與上述索尼提出的圖1和圖2的采用全息光柵的波導(dǎo)技術(shù)相比，由于沒有光柵的衍射形成色差，其色散小，容易實(shí)現(xiàn)彩色圖像顯示。但是該項(xiàng)技術(shù)對于半透膜陣列22的間距、以及半透膜傾斜角度的要求也非常嚴(yán)格。由于進(jìn)入到眼瞳中的光束是由等間隔的半透膜反射的光束拼接而成的，半透膜的間距和傾斜角度的誤差會(huì)導(dǎo)致圖像的重影、像素丟失、以及圖像鋸齒形周期性的變形。另外圖像的視角也比較窄。制作方面，由于波導(dǎo)片由等間距或者變間距排布的半透膜傾斜地內(nèi)嵌于基底構(gòu)成，其半透膜陣列的排列需要非常精準(zhǔn)的位置度及面型精密性，由于其及制作工藝復(fù)雜，成品效率不高等因素，其技術(shù)方案也不利于大批量的生產(chǎn)與應(yīng)用。

另外，如附圖4所示，美國的Google公司還提出了提出公布號為US8189263的一種基于一維和二維反射面結(jié)構(gòu)陣列的波導(dǎo)式頭戴顯示器技術(shù)，其靠近顯示屏幕片的耦合輸入面220的反射面結(jié)構(gòu)為一維陣列，所述的反射面結(jié)構(gòu)，其由等間隔的斜面和平面構(gòu)成。另一端靠近人眼的耦合輸出面210，則為二維的反射面結(jié)構(gòu)陣列，其由一顆顆小的棱鏡狀的反射面結(jié)構(gòu)，錯(cuò)開一定距離、等間隔排列而成。微棱鏡的形狀也是由斜面和平面構(gòu)成。一方面，耦合輸出端210的微棱鏡中的平面可以讓波導(dǎo)片外側(cè)的光直接穿過，人眼可以直接看到波導(dǎo)片外側(cè)的場景，另一方面，耦合輸出端210的微棱鏡中的斜面，可以將從左邊顯示屏幕片耦合進(jìn)來、并在波導(dǎo)片中全反射多次的光線，進(jìn)行全反射并耦合輸出到人眼，在人眼的正前方形成一個(gè)虛像。從而形成真實(shí)場景與虛擬場景疊加的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果。

但是這種波導(dǎo)技術(shù)有明顯的技術(shù)缺陷：

其一，耦合輸入端的反射面結(jié)構(gòu)220，其由等間隔的斜面和平面構(gòu)成，反射面結(jié)構(gòu)上的平面部分由于不能反射從顯示屏幕片發(fā)出的光線、無法將完整的光線偏轉(zhuǎn)并在波導(dǎo)片內(nèi)部多次全反射傳導(dǎo)到右邊的耦合輸出端，導(dǎo)致傳導(dǎo)到人眼的圖像部分丟失。其相當(dāng)于在顯示屏幕片上設(shè)置了一個(gè)黑白相間的視場光闌，這種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致顯示器的像素部分丟失和分辨率降低。

其二，耦合輸出端的反射面結(jié)構(gòu)210，由于其為二維的反射面結(jié)構(gòu)陣列，其由一顆顆小的棱鏡狀的反射面結(jié)構(gòu)、隔開一定距離、等間隔、錯(cuò)開排列而成。這些反射面結(jié)構(gòu)之間的空隙為平面，如其專利中所描述的，從波導(dǎo)片左邊耦合輸入并全反射從顯示屏發(fā)出的光線，部分光線入射到這些反射面結(jié)構(gòu)之間空隙平面上，經(jīng)平面反射后還會(huì)繼續(xù)在波導(dǎo)片內(nèi)全反射到下一個(gè)位置，其至少再經(jīng)過兩次的全反射或多次的全反射，直到碰到下一個(gè)反射面結(jié)構(gòu)上的斜面才能被反射耦合輸出到人眼，而相鄰位置入射到反射面結(jié)構(gòu)的斜面上的另一部分光線，則直接被斜面全反射耦合輸出到人眼。這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于將顯示屏幕片上原本有序排列的像素分離成不同的位置投射到人體眼睛上，部分像素需要相隔很遠(yuǎn)的距離在另外一個(gè)位置才能看到，其耦合輸出到人眼的光是呈非序列的光束。因此這種二維的反射面結(jié)構(gòu)陣列的耦合輸出面210，其比較容易會(huì)形成重影和雜光，導(dǎo)致人眼看到的顯示屏幕片上的圖像是模糊不清。

其三，根據(jù)US8189263專利圖示的結(jié)構(gòu)，結(jié)合耦合輸入端的反射面結(jié)構(gòu)220和耦合輸出端的反射面結(jié)構(gòu)210，因耦合輸入端是由等間隔斜面和平面組成的反射面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致無法完整傳導(dǎo)這顯示屏的圖像光線到耦合輸出端，又因耦合輸出端由二維的多顆反射面結(jié)構(gòu)陣列、呈等間隔排列，這些分立的反射面結(jié)構(gòu)之間的由平面相連，導(dǎo)致耦合輸出端的圖像光線無法有序傳導(dǎo)到人體眼鏡中。結(jié)合兩者組成的整體光傳導(dǎo)方案，其明顯存在部分光線傳導(dǎo)丟失及圖像分辨率低的技術(shù)缺陷，導(dǎo)致使用者無法完整看清楚顯示屏上的影像。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種采用鋸齒形V槽狀的微結(jié)構(gòu)陣列進(jìn)行反射偏轉(zhuǎn)的新波導(dǎo)技術(shù)的波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，包括顯示裝置和光學(xué)波導(dǎo)片，所述光學(xué)波導(dǎo)片靠近耳朵一側(cè)的側(cè)端部位設(shè)有用于將顯示裝置輸出的圖像光線輸入到光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)部的光線耦合輸入結(jié)構(gòu)，所述光線耦合輸入結(jié)構(gòu)與顯示裝置相對設(shè)置，所述光學(xué)波導(dǎo)片的外側(cè)面和內(nèi)側(cè)面分別設(shè)有互相反射從而將經(jīng)過光線耦合輸入結(jié)構(gòu)輸入的圖像光線進(jìn)行至少一次全反射傳輸?shù)墓鈱W(xué)反射面，所述光學(xué)波導(dǎo)片的外側(cè)面正對人眼區(qū)域的位置設(shè)有用于使圖像光線在其上的反射僅僅是一次反射且使反射的圖像光線有序的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面，所述光學(xué)波導(dǎo)片的內(nèi)側(cè)面正對人眼區(qū)域的位置設(shè)有輸出面，其中，所述第一微結(jié)構(gòu)陣列面具有至少兩個(gè)依次設(shè)置的鋸齒，相鄰兩個(gè)鋸齒之間設(shè)有由兩個(gè)斜面構(gòu)成的V形槽，并且其中一個(gè)斜面設(shè)置為光線反射斜面，所述第一微結(jié)構(gòu)陣列面的每個(gè)V形槽中的光線反射斜面依次將光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)側(cè)面的光學(xué)反射面反射過來的圖像光線以單次反射并以相反的方向進(jìn)行一個(gè)特定角度的反射偏轉(zhuǎn)從而使其從輸出面輸出，以最終輸出完整圖像。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了另一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，包括顯示裝置和光學(xué)波導(dǎo)片，所述光學(xué)波導(dǎo)片靠近耳朵一側(cè)的側(cè)端部位設(shè)有用于將顯示裝置輸出的圖像光線輸入到光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)部的光線耦合輸入結(jié)構(gòu)，所述光線耦合輸入結(jié)構(gòu)與顯示裝置相對設(shè)置，在所述光學(xué)波導(dǎo)片的外側(cè)面和內(nèi)側(cè)面中，至少在其外側(cè)面設(shè)有將經(jīng)過光線耦合輸入結(jié)構(gòu)輸入的圖像光線進(jìn)行至少一次全反射傳輸?shù)墓鈱W(xué)反射面，所述光學(xué)波導(dǎo)片的內(nèi)側(cè)面正對人眼區(qū)域的位置設(shè)有用于使圖像光線在其上的反射僅僅是一次反射且使反射的圖像光線有序的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面，其中，所述第一微結(jié)構(gòu)陣列面具有至少兩個(gè)依次設(shè)置的鋸齒，相鄰兩個(gè)鋸齒之間設(shè)有由兩個(gè)斜面構(gòu)成的V形槽，并且其中一個(gè)斜面設(shè)置為光線反射斜面，所述第一微結(jié)構(gòu)陣列面的每個(gè)V形槽中的光線反射斜面依次將光學(xué)波導(dǎo)片外側(cè)面的光學(xué)反射面反射過來且穿過第一微結(jié)構(gòu)陣列面的同一V形槽的另一斜面出射到空氣介質(zhì)中的圖像光線以單次反射并以相反的方向進(jìn)行一個(gè)特定角度的反射偏轉(zhuǎn)從而輸出完整圖像。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了另一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，包括顯示裝置和光學(xué)波導(dǎo)片，其特征在于：所述光學(xué)波導(dǎo)片靠近耳朵一側(cè)的側(cè)端部位設(shè)有用于將顯示裝置輸出的圖像光線輸入到光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)部的光線耦合輸入結(jié)構(gòu)，所述光線耦合輸入結(jié)構(gòu)與顯示裝置相對設(shè)置，在所述光學(xué)波導(dǎo)片的外側(cè)面和內(nèi)側(cè)面中，至少在其外側(cè)面設(shè)有將經(jīng)過光線耦合輸入結(jié)構(gòu)輸入的圖像光線進(jìn)行至少一次全反射傳輸?shù)墓鈱W(xué)反射面，所述光學(xué)波導(dǎo)片的內(nèi)側(cè)面正對人眼區(qū)域的位置設(shè)有鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面，所述第一微結(jié)構(gòu)陣列面的外側(cè)設(shè)有補(bǔ)償片，所述補(bǔ)償片朝向光學(xué)波導(dǎo)片的第一微結(jié)構(gòu)陣列面的內(nèi)側(cè)面上設(shè)有第四微結(jié)構(gòu)陣列面，其中，所述第一微結(jié)構(gòu)陣列面和第四微結(jié)構(gòu)陣列面分別具有至少兩個(gè)依次設(shè)置的鋸齒，所述第一微結(jié)構(gòu)陣列面的相鄰兩個(gè)鋸齒之間設(shè)有由兩個(gè)斜面構(gòu)成的V形槽，所述第四微結(jié)構(gòu)陣列面的鋸齒形狀與第一微結(jié)構(gòu)陣列面的鋸齒形狀相適配，所述第四微結(jié)構(gòu)陣列面的鋸齒由另外兩個(gè)斜面構(gòu)成，所述第一微結(jié)構(gòu)陣列面與第四微結(jié)構(gòu)陣列面間隔設(shè)置形成有折射率低于補(bǔ)償片的空氣隙，所述光學(xué)波導(dǎo)片外側(cè)面的光學(xué)反射面反射過來的圖像光線依次穿過第一微結(jié)構(gòu)陣列面的V形槽的一斜面、空氣隙和第四微結(jié)構(gòu)陣列面的鋸齒的一斜面后在第四微結(jié)構(gòu)陣列面的同一鋸齒的另一斜面上全反射偏轉(zhuǎn)從而輸出完整圖像。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果在于：

1、本實(shí)用新型提出了一種采用鋸齒形V槽狀微結(jié)構(gòu)陣列進(jìn)行反射偏轉(zhuǎn)的新的波導(dǎo)技術(shù)，采用鋸齒形V槽狀的微結(jié)構(gòu)陣列代替現(xiàn)有波導(dǎo)技術(shù)中的全息光柵片、半透膜陣列以及一維和二維反射面結(jié)構(gòu)陣列，其能夠消除全息光柵由于衍射形成的色差和半透膜陣列由于圖像拼接誤差所形成的重影或者像素丟失，以及一維和二維反射面結(jié)構(gòu)陣列由于顯示器的像素部分丟失和分辨率降低從而導(dǎo)致無法完整看清楚顯示屏上的影像的問題。

2、本實(shí)用新型的鋸齒形V槽狀的微結(jié)構(gòu)陣列能夠?qū)鬏斶^來的光線進(jìn)行一個(gè)特定角度的反射偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的光線透過光學(xué)波導(dǎo)片輸出，最后進(jìn)入人眼中，在人眼正前方遠(yuǎn)處呈現(xiàn)一個(gè)放大的虛像，光線在其上的反射僅僅是一次反射，其反射的光線是有序的，其依次將傳導(dǎo)圖像的光束反射輸出至人眼中，鋸齒之間不會(huì)遺漏某些像素的光線，其可耦合輸出完整的圖像，傳輸過程中圖像的像素不會(huì)被打亂。

附圖說明

為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或者現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或者現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是索尼公司提出的公開號為CN1774661A的波導(dǎo)式頭戴顯示器的光學(xué)裝置；

圖2是索尼公司提出的基于紅綠藍(lán)三色光的全息波導(dǎo)式頭戴顯示器的光學(xué)裝置；

圖3是以色列公司Lumus提出的公布號為US20080025667的半透膜陣列波導(dǎo)式頭戴顯示器的光學(xué)裝置；

圖4是Google公司提出的公布號為US8189263的一種基于一維和二維反射面結(jié)構(gòu)陣列的波導(dǎo)式頭戴顯示器技術(shù)；

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的局部結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的局部結(jié)構(gòu)后視圖；

圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的等軸側(cè)視圖；

圖9是本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的第一微結(jié)構(gòu)陣列面的放大圖；

圖10是本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置從顯示屏幕片中心O點(diǎn)出發(fā)的主光線的光路圖；

圖11是本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖12是本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的MTF曲線圖；

圖13是本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置在光度分析軟件中的光線追跡圖；

圖14是本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置在人眼像面上的照明效果圖；

圖15是本實(shí)用新型實(shí)施例二提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖16是本實(shí)用新型實(shí)施例三提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖17是本實(shí)用新型實(shí)施例四提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖18是本實(shí)用新型實(shí)施例五提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖19是本實(shí)用新型實(shí)施例六提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖20是本實(shí)用新型實(shí)施例七提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖21是本實(shí)用新型實(shí)施例八提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖22是本實(shí)用新型實(shí)施例九提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖23是本實(shí)用新型實(shí)施例十提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖24是本實(shí)用新型實(shí)施例十一提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖25是圖24中C部位的放大圖；

圖26是本實(shí)用新型實(shí)施例十二提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖27是圖26中C部位的放大圖；

圖28是本實(shí)用新型實(shí)施例十三提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖29是本實(shí)用新型實(shí)施例十四提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖30是本實(shí)用新型實(shí)施例十五提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖31是本實(shí)用新型實(shí)施例十六提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖32是本實(shí)用新型實(shí)施例十七提供的另一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖33是本實(shí)用新型實(shí)施例十八提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖34是本實(shí)用新型實(shí)施例十九提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖35是本實(shí)用新型實(shí)施例二十提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖36是本實(shí)用新型實(shí)施例二十一提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖37是圖36中E部位的放大圖；

圖38是本實(shí)用新型實(shí)施例二十二提供的一種頭戴式顯示器的光學(xué)裝置的光路圖；

圖39是圖38中F部位的放大圖。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

實(shí)施例一

本實(shí)用新型的實(shí)施例一提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，請參考圖5、圖6和圖7，該光學(xué)裝置可以安裝在眼鏡架6上，該光學(xué)裝置包括顯示裝置、成像目鏡組2和光學(xué)波導(dǎo)片3。

其中，顯示裝置可以設(shè)置為至少一片顯示屏幕片1，顯示屏幕片1的輪廓形狀可以為平板狀、圓弧狀或者球體狀。所述顯示屏幕片，這里優(yōu)選為2/3”的顯示器，其可以為OLED顯示器(有機(jī)發(fā)光顯示屏)、LCD(液晶顯示屏)以及其他的LCOS(硅基液晶顯示屏)。

光學(xué)波導(dǎo)片3靠近耳朵一側(cè)的側(cè)端部位設(shè)有用于將顯示屏幕片1輸出的圖像光線輸入到光學(xué)波導(dǎo)片3內(nèi)部的光線耦合輸入結(jié)構(gòu)，光學(xué)波導(dǎo)片3的外側(cè)面設(shè)有光學(xué)反射面33，光學(xué)波導(dǎo)片3的內(nèi)側(cè)面設(shè)有光學(xué)反射面34，兩個(gè)光學(xué)反射面能夠互相配合反射光線，從而將經(jīng)過光線耦合輸入結(jié)構(gòu)輸入的圖像光線進(jìn)行至少一次全反射傳輸，光學(xué)波導(dǎo)片3的外側(cè)面正對人眼區(qū)域的位置設(shè)有用于使圖像光線在其上的反射僅僅是一次反射且使反射的圖像光線有序的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面35，光學(xué)波導(dǎo)片3的內(nèi)側(cè)面正對人眼區(qū)域的位置設(shè)有輸出面36。

光學(xué)波導(dǎo)片3內(nèi)側(cè)面的光學(xué)反射面34與光學(xué)波導(dǎo)片外側(cè)面的光學(xué)反射面33可以平行設(shè)置或者非平行設(shè)置。兩光學(xué)反射面可以分別設(shè)置為平面、帶有弧度的曲面或者自由曲面。在本實(shí)施例中，光學(xué)反射面33與光學(xué)反射面34優(yōu)選設(shè)置為平行平面。

具體的，在本實(shí)施例中，光線耦合輸入結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在光學(xué)波導(dǎo)片3靠近耳朵一側(cè)的側(cè)端部位的耦合輸入部30、設(shè)置在耦合輸入部30末端的耦合輸入面31和用于對從耦合輸入面31輸入的圖像光線進(jìn)行全反射偏轉(zhuǎn)使其偏轉(zhuǎn)進(jìn)入到光學(xué)波導(dǎo)片3外側(cè)面的光學(xué)反射面33的第一全反射面32，第一全反射面32設(shè)置在耦合輸入部30的側(cè)面(即外側(cè)較陡位置)并與光學(xué)波導(dǎo)片3的外側(cè)面傾斜設(shè)置，耦合輸入面31正對著顯示屏幕片1。

耦合輸入面31可以設(shè)置為平面、圓柱面、球面、非球面、自由曲面、混合曲面、斜面、菲涅爾曲面或者帶有V槽輪廓的直紋面。在本實(shí)施例中，耦合輸入面31類似于喇叭口形狀。

第一全反射面32可以設(shè)置為平面或者曲面。在本實(shí)施例中，第一全反射面32優(yōu)選設(shè)置為平面。

輸出面36可以設(shè)置為凸出的帶有光焦度的非球面、球面或者菲涅爾面。在本實(shí)施例中，輸出面36優(yōu)選設(shè)置為凸出的非球面。

如圖9和圖10所示，第一微結(jié)構(gòu)陣列面35具有至少兩個(gè)依次設(shè)置的鋸齒351，相鄰兩個(gè)鋸齒之間設(shè)有由斜面353和斜面354構(gòu)成的V形槽352，斜面353鍍有反射膜，從而形成光線反射斜面，第一微結(jié)構(gòu)陣列面35的每個(gè)V形槽352中的光線反射斜面依次將光學(xué)波導(dǎo)片3內(nèi)側(cè)面的光學(xué)反射面34反射過來的圖像光線以單次反射并以相反的方向進(jìn)行一個(gè)特定角度的反射偏轉(zhuǎn)從而使其從輸出面36輸出，以最終輸出完整圖像。

第一微結(jié)構(gòu)陣列面35的所有鋸齒組成一個(gè)等間距或者漸變間距的傾斜鋸齒結(jié)構(gòu)，每個(gè)鋸齒的間距介于20～200微米之間。本實(shí)施方案優(yōu)選該微結(jié)構(gòu)陣列面為等間距的傾斜鋸齒形微結(jié)構(gòu)陣列面，優(yōu)選該鋸齒間距為50微米。由于第一微結(jié)構(gòu)陣列面35鍍有反射膜，這時(shí)人眼看不到波導(dǎo)片外側(cè)的真實(shí)場景的圖像，而只能看到位于眼鏡架6兩邊的顯示屏幕片中放大的圖像，可以實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的功能。

成像目鏡組2位于光線耦合輸入結(jié)構(gòu)與顯示屏幕片1之間，成像目鏡組2具有至少一片透鏡，透鏡的面型可以設(shè)置為非球面、球面、菲涅爾面或者二元光學(xué)面。在本實(shí)施例中，成像目鏡組2由三片非球面的成像透鏡21、24、23組成，其將像差和畸變進(jìn)行矯正，并將顯示裝置的顯示圖案進(jìn)行放大，以及出射光束進(jìn)行壓縮，壓縮后以接近于平行光的光束入射到光學(xué)波導(dǎo)片3中。

本實(shí)施例一所述波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，從顯示屏幕片的中心O點(diǎn)出發(fā)的主光線的光路圖如圖10所示。假設(shè)OP為經(jīng)過顯示屏幕片中心O點(diǎn)的光軸、TU為經(jīng)過人眼瞳的垂直光軸，OP同時(shí)為經(jīng)過顯示屏幕片中心的主光線，其經(jīng)過光學(xué)波導(dǎo)片3的第一全反射面32的反射，反射之后的光線進(jìn)入到光學(xué)波導(dǎo)片3內(nèi)部，并在光學(xué)反射面33與光學(xué)反射面34之間進(jìn)行至少一次全反射，反射光線分別為PQ、QR及RS，最后入射到鋸齒形V槽狀的微結(jié)構(gòu)陣列面35上，經(jīng)反射后主光線偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，最后以SU的方向射向人眼。假設(shè)第一全反射面32的中心點(diǎn)切面與顯示屏幕片的中心光軸OP的夾角為θ，第一微結(jié)構(gòu)陣列面35的V形槽中的光線反射斜面353與經(jīng)過人眼瞳的垂直光軸TU的夾角為α，顯示屏幕片的中心光軸OP依次經(jīng)過第一全反射面32和光學(xué)反射面33、34的反射后最終射入到第一微結(jié)構(gòu)陣列面35的V形槽中的光線反射斜面353上的反射光線RS與經(jīng)過人眼瞳的垂直光軸TU的夾角為β，那么存在以下的關(guān)系：β＝2θ；α＝π/2-θ。

根據(jù)第一全反射面32中心點(diǎn)切面與光軸OP的夾角θ，可以設(shè)計(jì)出鋸齒形V槽狀的微結(jié)構(gòu)陣列面35。其中可以選擇θ在15°～40°之間，這里優(yōu)選其為33°。

圖11為具體實(shí)施例一所述波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置在成像設(shè)計(jì)軟件中的光路圖，其中眼瞳為該光學(xué)系統(tǒng)的出瞳位置，這里優(yōu)選其直徑為5mm。眼瞳與光學(xué)波導(dǎo)片3的距離在15～18mm之間，本具體實(shí)施方案優(yōu)選該距離為16.8mm。

其原理為：靠近眼鏡架耳朵一側(cè)位置的顯示屏幕片，其顯示的圖像先通過成像目鏡組21、24、23放大之后耦合到光學(xué)波導(dǎo)片的耦合輸入面31中，經(jīng)過第一全反射面32的反射轉(zhuǎn)折之后，光線進(jìn)入到光學(xué)波導(dǎo)片3中并在光學(xué)反射面33、34之間進(jìn)行全反射，最后圖像傳輸?shù)焦鈱W(xué)波導(dǎo)片3的外側(cè)面正對人眼的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面35上，鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面35再將傳輸過來的光線，進(jìn)行一個(gè)特定角度相反方向的反射偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的光線沿著垂直于光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)側(cè)面的方向、從輸出面36輸出，最后進(jìn)入到人眼的瞳孔中，在人眼正前方的遠(yuǎn)處形成一個(gè)放大的圖像。其中，光線在第一微結(jié)構(gòu)陣列面35上的反射僅僅是一次反射，其反射的光線是有序的，其依次將傳導(dǎo)圖像的光束反射輸出至人眼中，鋸齒之間不會(huì)遺漏某些像素的光線，其可耦合輸出完整的圖像，傳輸過程中圖像的像素不會(huì)被打亂。

所述顯示屏幕片優(yōu)選其對角線尺寸為2/3”，在成像設(shè)計(jì)過程采用了像圓直徑為18mm。

圖12為本具體實(shí)施例一所述波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置的MTF曲線，在30線對時(shí)，除了最外視場(1視場)的弧矢方向的分辨率為0.34左右，其他所有的視場(0～1內(nèi)的視場)的分辨率都在0.5以上，解像率完全可以滿足要求。

如圖13所示，將本具體實(shí)施例一所述波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置的三維模型放入到光度分析軟件中進(jìn)行光線追跡和光度分析。其中將顯示屏幕片設(shè)置為帶有輻射狀條紋的發(fā)光面，假設(shè)其光通量為10流明。同時(shí)將波導(dǎo)片外側(cè)的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面35設(shè)置為鏡面反射。并且設(shè)置一個(gè)等效透鏡來模擬人眼光學(xué)系統(tǒng)，模擬人眼像面上的照明效果如圖14所示。模擬人眼像面上的光斑也是個(gè)輻射狀的條紋，其長寬方向與顯示屏幕片的長寬方向一致，可以看到模擬人眼的像面上的光斑比較干凈，沒有重影和雜光。

實(shí)施例二

本實(shí)用新型的實(shí)施例二提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，是在實(shí)施例一的基礎(chǔ)上做出的改進(jìn)，除了實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的功能之外，其還可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。請參考圖15，光學(xué)波導(dǎo)片3的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面35的V形槽的斜面鍍有部分反射膜或者半反半透膜，緊貼著第一微結(jié)構(gòu)陣列面35的外側(cè)還設(shè)置有一個(gè)補(bǔ)償鏡4，補(bǔ)償鏡4朝向光學(xué)波導(dǎo)片3的第一微結(jié)構(gòu)陣列面35的內(nèi)側(cè)面上設(shè)有鋸齒形V槽狀的第三微結(jié)構(gòu)陣列面41，第三微結(jié)構(gòu)陣列面41也具有至少兩個(gè)依次設(shè)置的鋸齒，相鄰兩個(gè)鋸齒之間設(shè)有由兩個(gè)斜面構(gòu)成的V形槽，補(bǔ)償鏡4的第三微結(jié)構(gòu)陣列面41的鋸齒形狀與光學(xué)波導(dǎo)片3的第一微結(jié)構(gòu)陣列面35的鋸齒形狀完全鏡像，第三微結(jié)構(gòu)陣列面41的V形槽的斜面上設(shè)有增透膜。

當(dāng)補(bǔ)償鏡4與光學(xué)波導(dǎo)片3緊貼在一起時(shí)，從光學(xué)波導(dǎo)片3外側(cè)的遠(yuǎn)處真實(shí)場景的光線，先通過位于補(bǔ)償鏡4的第三微結(jié)構(gòu)陣列面41進(jìn)行折射，折射后的光線再通過位于光學(xué)波導(dǎo)片3的第一微結(jié)構(gòu)陣列面35再次折射，由于兩個(gè)微結(jié)構(gòu)陣列面的鋸齒形狀完全鏡像，兩個(gè)微結(jié)構(gòu)陣列面的折射角度正好完全補(bǔ)償，從外側(cè)場景入射到補(bǔ)償鏡4中的光線的光路沿原路直線向前，沒有被偏轉(zhuǎn)，再通過位于光學(xué)波導(dǎo)片3的輸出面36，入射到眼睛，從而可以看到光學(xué)波導(dǎo)片3外側(cè)的遠(yuǎn)處的真實(shí)場景。

該具體實(shí)施方案除了采用補(bǔ)償鏡4可以看到波導(dǎo)片外側(cè)的遠(yuǎn)處的真實(shí)場景之外。其余部分與實(shí)施例一相同，其還可以同時(shí)看到顯示屏幕片上放大的圖像?？拷坨R架耳朵一側(cè)位置的顯示屏幕片顯示的圖像先通過成像目鏡組21、24、23放大之后耦合到光學(xué)波導(dǎo)片的耦合輸入面31中，經(jīng)過第一全反射面32的反射轉(zhuǎn)折之后，輸入光線進(jìn)入到光學(xué)波導(dǎo)片3中并在光學(xué)反射面33、34之間進(jìn)行全反射，最后圖像傳輸?shù)焦鈱W(xué)波導(dǎo)片外側(cè)面正對人眼的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面35上。由于第一微結(jié)構(gòu)陣列面35上鍍有部分反射膜或者半反半透膜，其再將傳輸過來的光線，進(jìn)行一個(gè)特定角度的部分反射偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的光線沿著垂直于光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)側(cè)面的方向、從輸出面36輸出，最后進(jìn)入到人眼的瞳孔中，在垂直于光學(xué)波導(dǎo)片的正前方遠(yuǎn)處形成一個(gè)放大的圖像。所以人眼看到的圖像是真實(shí)場景和顯示屏幕片中的圖像的疊加，其將虛擬的計(jì)算機(jī)中的畫面，疊加到現(xiàn)實(shí)的真實(shí)場景中，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。

實(shí)施例三

本實(shí)用新型的實(shí)施例三提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，其光線在光學(xué)波導(dǎo)片中反射的次數(shù)、光學(xué)波導(dǎo)片的長短以及成像目鏡組鏡片的數(shù)量，可以根據(jù)視場角和成像大小來確定。所述顯示屏幕片和光學(xué)波導(dǎo)片的耦合輸入面均傾斜一個(gè)角度放置，顯示屏幕片的光束直接投射到光學(xué)波導(dǎo)片的外側(cè)面的光學(xué)反射面進(jìn)行全反射傳輸。這里稱這種實(shí)施方案為直投式的波導(dǎo)頭戴顯示器光學(xué)方案。

當(dāng)視場要求比較小、成像較小時(shí)，可以設(shè)計(jì)焦距比較長的系統(tǒng)，目鏡組可以少用一些鏡片，甚至不用目鏡組，另外，光學(xué)波導(dǎo)片的光學(xué)反射面的反射次數(shù)也可以少一些。如圖16所示，本實(shí)施例所述的波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置為焦距比較長、視角比較小的系統(tǒng)，其取消了成像目鏡組，另外光線在光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)部的反射次數(shù)也比上述實(shí)施例一和實(shí)施例二少了一次。

本具體實(shí)施方案為直投式的波導(dǎo)頭戴顯示器光學(xué)方案，其由顯示屏幕片1和光學(xué)波導(dǎo)片300組成。光學(xué)波導(dǎo)片300的光線耦合輸入結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在光學(xué)波導(dǎo)片300靠近耳朵一側(cè)的側(cè)端部位的耦合輸入部320和設(shè)置在耦合輸入部320末端的耦合輸入面321，顯示屏幕片傾斜放置，耦合輸入面正對著顯示屏幕片，顯示屏幕片輸出的圖像光線經(jīng)過耦合輸入面321后直接投射到光學(xué)波導(dǎo)片外側(cè)面的光學(xué)反射面322。

在本實(shí)施例中，光學(xué)波導(dǎo)片300不設(shè)置第一全反射面，其對著顯示屏幕片1的位置設(shè)置有一個(gè)耦合輸入面321，其可以為平面或者弧面，這里優(yōu)選其為平面。光學(xué)波導(dǎo)片320的外側(cè)和內(nèi)側(cè)分別設(shè)置有完全平行的光學(xué)反射面322和323，其可以為平面，也可以為弧面，本具體實(shí)施方案優(yōu)選該兩個(gè)光學(xué)反射面為平面。光學(xué)波導(dǎo)片300的外側(cè)正對人眼的位置設(shè)置有鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面324，其上鍍有反射膜。

本具體實(shí)施方案的工作原理為：從顯示屏幕片發(fā)出的光經(jīng)過光學(xué)波導(dǎo)片的耦合輸入面321先耦合到光學(xué)波導(dǎo)片300中，直接入射到光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)外兩側(cè)的光學(xué)反射面322和323之間，經(jīng)過光學(xué)反射面322和323的兩次全反射之后，反射光線入射到鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面324上，第一微結(jié)構(gòu)陣列面324將入射光線往相反方向進(jìn)行一個(gè)角度的反射偏轉(zhuǎn)，反射光線沿著垂直于光學(xué)波導(dǎo)片的方向，從輸出面325輸出，進(jìn)入到人眼中，從而在人眼的正前方的遠(yuǎn)處呈一個(gè)放大的虛像。

實(shí)施例四

波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置除了采用成像目鏡組進(jìn)行聚光和圖像放大之外，也可以直接將光焦度設(shè)置在光學(xué)波導(dǎo)片的某一個(gè)面上(譬如：將光學(xué)波導(dǎo)片靠近眼瞳位置的輸出面設(shè)置一個(gè)凸出的非球面，并將光學(xué)波導(dǎo)片靠近顯示屏幕片的耦合輸入面也設(shè)置為非球面，或者將光學(xué)波導(dǎo)片的第一全反射面設(shè)置為自由曲面)，這樣也可以減少成像目鏡的數(shù)量，而視場和放大倍率保持不變。

本實(shí)用新型的實(shí)施例四提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，如圖17所示，具體實(shí)施方案四將光學(xué)波導(dǎo)片420靠近顯示屏幕片的耦合輸入面421設(shè)置為非球面，其耦合輸入面421的外側(cè)設(shè)置了第一全反射面422。另外，光學(xué)波導(dǎo)片420的外側(cè)和內(nèi)側(cè)分別設(shè)置有完全平行的光學(xué)反射面423和424，其可以為平面，也可以為弧面，本具體實(shí)施方案優(yōu)選該兩個(gè)光學(xué)反射面為平面。所述光學(xué)波導(dǎo)片420的外側(cè)面正對人眼的位置設(shè)置有鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面425，其上鍍有反射膜。

本具體實(shí)施方案的工作原理為：從顯示屏幕片發(fā)出的光經(jīng)過光學(xué)波導(dǎo)片的耦合輸入面421先進(jìn)行會(huì)聚，并入射到光學(xué)波導(dǎo)片的第一全反射面422上，經(jīng)過反射后光束進(jìn)入到光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)外兩側(cè)的光學(xué)反射面423和424之間，經(jīng)過光學(xué)反射面423和424的兩次全反射之后，光束入射到鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面425上，第一微結(jié)構(gòu)陣列面425將入射光束往相反方向進(jìn)行一個(gè)角度的反射偏轉(zhuǎn)，最后反射光束沿著垂直于光學(xué)波導(dǎo)片的方向，從輸出面426輸出，進(jìn)入到人眼中，從而在人眼的正前方的遠(yuǎn)處呈一個(gè)放大的虛像。

實(shí)施例五

本實(shí)用新型的實(shí)施例五提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，其光學(xué)波導(dǎo)片的外側(cè)面靠近人眼位置的輸出面可以設(shè)置成平面，其與光學(xué)波導(dǎo)片530的內(nèi)側(cè)面重合。如圖18所示，其靠近眼瞳用來輸出光束的位置是平的，不設(shè)置任何凸起的帶有光焦度的非球面，其與光學(xué)波導(dǎo)片的內(nèi)側(cè)面重合。

本具體實(shí)施方案的工作原理為：從顯示屏幕片1發(fā)出的光，通過目鏡組52(由透鏡521、522和523組成)進(jìn)行會(huì)聚，會(huì)聚成基本上平行的光束，會(huì)聚后的光束經(jīng)過光學(xué)波導(dǎo)片530的耦合輸入面531，直接入射到光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)外兩側(cè)的光學(xué)反射面532和533之間，經(jīng)過光學(xué)反射面532和533的兩次全反射之后，反射光束入射到鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面534上，第一微結(jié)構(gòu)陣列面534將入射光束往相反的方向進(jìn)行一個(gè)角度的反射偏轉(zhuǎn)，最后反射光束沿著垂直于光學(xué)波導(dǎo)片530的方向，從經(jīng)光學(xué)波導(dǎo)片530的輸出面輸出，進(jìn)入到人眼中，從而在人眼的正前方的遠(yuǎn)處呈一個(gè)放大的虛像。

實(shí)施例六

本實(shí)用新型的實(shí)施例六提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，其光學(xué)波導(dǎo)片中靠近成像目鏡組的第一全反射面可以設(shè)置為自由曲面全反射面，其除了將從成像目鏡組入射過來的光束導(dǎo)入到光學(xué)波導(dǎo)片的外側(cè)和內(nèi)側(cè)完全平行的光學(xué)反射面之間，其還承擔(dān)了一定的光焦度，其可以減少成像目鏡組中的鏡片的數(shù)量，譬如將三片減為兩片，同時(shí)光學(xué)波導(dǎo)片的內(nèi)側(cè)面靠近眼瞳的位置的輸出面不需要設(shè)置為帶有光焦度的凸起的非球面。

如圖19所示，在本實(shí)施例中，該波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置的成像目鏡組62采用兩片式的結(jié)構(gòu)，分別為透鏡621和622，另外光學(xué)波導(dǎo)片630靠近成像目鏡組的第一全反射面632設(shè)置成自由曲面全反射面，其除了將從成像目鏡組62入射過來的光束導(dǎo)入到光學(xué)波導(dǎo)片630的外側(cè)和內(nèi)側(cè)完全平行的光學(xué)反射面633和634之間外，其還承擔(dān)了一定的光焦度，將圖像進(jìn)行放大。此外，光學(xué)波導(dǎo)片的內(nèi)側(cè)面靠近眼瞳的位置不設(shè)置任何帶有光焦度的凸面，其靠近眼瞳用來輸出光束的位置是平的，輸出面與光學(xué)波導(dǎo)片的內(nèi)側(cè)面相重合。第一全反射面632為自由曲面全反射面，其傾斜角達(dá)到全反射的條件，其可以為超環(huán)面、XY方向曲率半徑不同的離軸二次曲面或者多項(xiàng)式曲面。本具體實(shí)施方案優(yōu)選其為雙錐系數(shù)曲線，其X和Y方向的曲率半徑和錐度系數(shù)不同。

本具體實(shí)施方案的工作原理為：從顯示屏幕片1發(fā)出的光，通過成像目鏡組62進(jìn)行會(huì)聚，會(huì)聚后的光束經(jīng)過光學(xué)波導(dǎo)片的耦合輸入面631，入射到第一全反射面632上，第一全反射面632將光線進(jìn)一步會(huì)聚，并將光束進(jìn)行全反射偏轉(zhuǎn)，輸入到光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)外兩側(cè)的光學(xué)反射面633和634之間。光束在波導(dǎo)片中傳輸，并經(jīng)過光學(xué)反射面633和634的兩次全反射之后，入射到鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面635上，第一微結(jié)構(gòu)陣列面635將入射光束往相反方向進(jìn)行一個(gè)角度的反射偏轉(zhuǎn)，最后反射光束沿著垂直于光學(xué)波導(dǎo)片的方向，經(jīng)光學(xué)波導(dǎo)片630的輸出面輸出，進(jìn)入到人眼中，從而在人眼的正前方的遠(yuǎn)處呈一個(gè)放大的虛像。

實(shí)施例七

本實(shí)用新型的實(shí)施例七提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，其光學(xué)波導(dǎo)片可以與透鏡組相結(jié)合，形成可以變焦的頭戴顯示器。如圖20所示，在實(shí)施例一的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例的波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置在顯示屏幕片1和光學(xué)波導(dǎo)片830的耦合輸入面831之間改為設(shè)置兩組透鏡，其中一組為補(bǔ)償透鏡組81，另一組為變倍透鏡組82。另外，在眼瞳與光學(xué)波導(dǎo)片的輸出面836之間放置了一組鏡片，其為前固定透鏡組84。當(dāng)變倍透鏡組82、補(bǔ)償透鏡組81沿著光軸方向按虛線箭頭所示的規(guī)律呈非線性速率的移動(dòng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)焦距長短的變化，從而實(shí)現(xiàn)顯示圖像大小的變化。

所述前固定透鏡組84優(yōu)選由兩片透鏡組成，其也可以只有一片透鏡，根據(jù)具體情況設(shè)置。所述變倍透鏡組82和補(bǔ)償透鏡組81在本具體實(shí)施方案中優(yōu)選只有一片鏡組成，其也可以為兩片以上的透鏡，根據(jù)分辨率、視場角和變焦倍數(shù)來確定。

實(shí)施例八

本實(shí)用新型的實(shí)施例八提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，其光學(xué)波導(dǎo)片可以與負(fù)透鏡組合，以適用于近視的人群。如圖21所示，該波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置在光學(xué)波導(dǎo)片920可以采用上述實(shí)施例所述的光學(xué)波導(dǎo)片的結(jié)構(gòu)，光學(xué)波導(dǎo)片920內(nèi)側(cè)面的輸出面926與眼瞳之間設(shè)置了一個(gè)負(fù)透鏡93，其用于矯正近視眼使用者的視力，具體負(fù)透鏡的焦距可以根據(jù)使用者的近視度數(shù)來調(diào)整，這樣使用者可以清楚看到顯示屏幕片中位于人眼正前方放大的虛像。

實(shí)施例九

本實(shí)用新型的實(shí)施例九提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，其光學(xué)波導(dǎo)片可以與正透鏡鏡組合，以適用于老花的人群。如圖22所示，該波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置在光學(xué)波導(dǎo)片1000可以采用上述實(shí)施例所述的光學(xué)波導(dǎo)片的結(jié)構(gòu)，光學(xué)波導(dǎo)片1000內(nèi)側(cè)面的輸出面1006與眼瞳之間設(shè)置了一個(gè)正透鏡103，其用于矯正老花眼使用者的視力，具體正透鏡的焦距可以根據(jù)使用者的老花度數(shù)來調(diào)整，這樣使用者可以清楚看到顯示屏幕片中位于人眼正前方放大的虛像。

實(shí)施例十

本實(shí)用新型的實(shí)施例十提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，其光學(xué)波導(dǎo)片除了正對眼瞳的外側(cè)面設(shè)置有鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面之外，其靠近顯示屏幕片一邊的外側(cè)面也可以設(shè)置有鋸齒形V槽狀的第二微結(jié)構(gòu)陣列面。

如圖23所示，光學(xué)波導(dǎo)片73的光線耦合輸入結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在光學(xué)波導(dǎo)片73的內(nèi)側(cè)面且靠近耳朵一側(cè)的耦合輸入面和設(shè)置在光學(xué)波導(dǎo)片的外側(cè)面且靠近耳朵一側(cè)的鋸齒形V槽狀的第二微結(jié)構(gòu)陣列面732，第二微結(jié)構(gòu)陣列面732具有至少兩個(gè)依次設(shè)置的鋸齒，相鄰兩個(gè)鋸齒之間設(shè)有由兩個(gè)斜面構(gòu)成的V形槽，并且其中一個(gè)斜面設(shè)置為光線反射斜面。第二微結(jié)構(gòu)陣列面和耦合輸入面正對著顯示屏幕片1，第二微結(jié)構(gòu)陣列面732的每個(gè)V形槽的光線反射斜面依次將顯示屏幕片1射入到光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)的圖像光線反射偏轉(zhuǎn)進(jìn)入到光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)側(cè)面的光學(xué)反射面731。

光學(xué)波導(dǎo)片73靠近顯示屏幕片一邊的外側(cè)面上的第二微結(jié)構(gòu)陣列面732的鋸齒形斜面與位于眼瞳一側(cè)的第一微結(jié)構(gòu)陣列面734的鋸齒形斜面的傾斜方向相反，第二微結(jié)構(gòu)陣列面732的作用為用來代替上述實(shí)施方案所述的第一全反射面。這樣整個(gè)光學(xué)波導(dǎo)片直接做成平片式的，光學(xué)波導(dǎo)片可以做得更薄。

在本實(shí)施例中，其成像目鏡組72和顯示屏幕片1的光軸可以垂直于光學(xué)波導(dǎo)片72放置。從顯示屏幕片1發(fā)出的光線經(jīng)過成像目鏡組72(由透鏡721、722和723組成)進(jìn)行圖像放大和光束準(zhǔn)直之外，耦合垂直入射到光學(xué)波導(dǎo)片73中，鋸齒形V槽狀的第二微結(jié)構(gòu)陣列面732將入射光線進(jìn)行一個(gè)角度的反射偏轉(zhuǎn)，反射光線往左沿著光學(xué)波導(dǎo)片73的內(nèi)部傳輸，經(jīng)過光學(xué)反射面733和731的互相反射后，以一個(gè)傾斜的角度入射到位于眼瞳正前方、光學(xué)波導(dǎo)片外側(cè)面的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面734上，再經(jīng)過第一微結(jié)構(gòu)陣列面734往相反的方向進(jìn)行反射偏轉(zhuǎn)，最后反射光線以垂直于光學(xué)波導(dǎo)片73的方向，經(jīng)過輸出面735輸出，進(jìn)入到人眼中，并在人眼正前方的遠(yuǎn)處形成一個(gè)放大的虛像。

實(shí)施例十一

本實(shí)用新型的實(shí)施例十一提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，與上述實(shí)施例不同的是，在光學(xué)波導(dǎo)片中，其用于反射和偏轉(zhuǎn)光線的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面位于光學(xué)波導(dǎo)片的內(nèi)側(cè)面且靠近眼瞳的區(qū)域。

如圖24所示，該波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置由顯示屏幕片1、光學(xué)波導(dǎo)片1120組成。所述光學(xué)波導(dǎo)片1120靠近耳朵一側(cè)的側(cè)端部位設(shè)有用于將顯示裝置輸出的圖像光線輸入到光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)部的光線耦合輸入結(jié)構(gòu)，在光學(xué)波導(dǎo)1120片的外側(cè)面和內(nèi)側(cè)面中，至少在其外側(cè)面設(shè)有將經(jīng)過光線耦合輸入結(jié)構(gòu)輸入的圖像光線進(jìn)行至少一次全反射傳輸?shù)墓鈱W(xué)反射面1123，光學(xué)波導(dǎo)片1120的內(nèi)側(cè)面正對人眼區(qū)域的位置設(shè)有用于使圖像光線在其上的反射僅僅是一次反射且使反射的圖像光線有序的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面1125。

所述光線耦合輸入結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在光學(xué)波導(dǎo)片靠近耳朵一側(cè)的側(cè)端部位的耦合輸入部、設(shè)置在耦合輸入部末端的耦合輸入面1121和用于對從耦合輸入面輸入的圖像光線進(jìn)行全反射偏轉(zhuǎn)使其偏轉(zhuǎn)進(jìn)入到光學(xué)波導(dǎo)片外側(cè)面的光學(xué)反射面的第一全反射面1122，第一全反射面1122設(shè)置在耦合輸入部的側(cè)面并與光學(xué)波導(dǎo)片1120的外側(cè)面傾斜設(shè)置，耦合輸入面1121正對著顯示屏幕片1。

在本實(shí)施例中，耦合輸入面1121優(yōu)選設(shè)置為一個(gè)非球面耦合輸入面，當(dāng)然也可以為平面、圓柱面、球面、自由曲面、混合曲面、斜面、菲涅爾曲面或者帶有V槽輪廓的直紋面。第一全反射面1122優(yōu)選設(shè)置為直角棱鏡式第一全反射面，當(dāng)然也可以為平面、自由曲面、超環(huán)面、X和Y方向的曲率半徑不同的離軸二次曲面、多項(xiàng)式曲面或者X和Y方向的曲率半徑及錐度系數(shù)均不同的雙錐系數(shù)曲面。

第一微結(jié)構(gòu)陣列面1125的局部放大圖C如圖25所示，第一微結(jié)構(gòu)陣列面1125具有至少兩個(gè)依次設(shè)置的鋸齒，相鄰兩個(gè)鋸齒之間設(shè)有倒置的V形槽，所述V形槽由斜面1125a和1125b構(gòu)成，斜面1125b垂直于在光學(xué)波導(dǎo)片中全反射過來的光線RP，其上方?jīng)]有鍍反射膜，光線RP經(jīng)過斜面1125b折射之后，沿原路出射到空氣介質(zhì)中，并入射到另一側(cè)斜面1125a上，斜面1125a的上面鍍有反射膜，從而形成光線反射斜面，其將入射光線RP再次反射，反射后的光線沿著PO的方向入射到眼瞳中，在人眼的正前方形成一個(gè)顯示屏幕片中放大的虛像。假設(shè)光線RP與經(jīng)過眼瞳的光軸OO’的夾角為b，斜面1125a與經(jīng)過眼瞳的光軸OO’的夾角為a，那么a與b的關(guān)系為：a＝b/2。

在光學(xué)波導(dǎo)片1120中，光線束在其光學(xué)反射面1123和1124之間的全反射可以為多次全反射，為了便于說明問題，本具體實(shí)施方案將光學(xué)波導(dǎo)片的左右長度縮短，使得光線束在其光學(xué)反射面1123和1124之間的全反射只為一次全反射。

實(shí)施例十二

本實(shí)用新型的實(shí)施例十二提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，其除了實(shí)現(xiàn)將光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)傳輸?shù)墓饩€反射和偏轉(zhuǎn)至人眼之外，還可以實(shí)現(xiàn)部分透射的功能，其同時(shí)將光學(xué)波導(dǎo)片外側(cè)的真實(shí)場景透過光學(xué)波導(dǎo)片導(dǎo)入到眼瞳中。人眼同時(shí)可以看到顯示屏幕片中的虛擬圖像和正前方的真實(shí)場景，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。

如圖26所示，所述光學(xué)波導(dǎo)片1220設(shè)有一個(gè)非球面耦合輸入面1221、第一全反射面1222、位于光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)外側(cè)的光學(xué)反射面1224和1223、以及鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面1225。

圖27為局部圖D的放大圖，與上述實(shí)施例十一不同的是，所述第一微結(jié)構(gòu)陣列面1225中相鄰兩個(gè)V形槽之間的鋸齒端部設(shè)有對光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)全反射傳輸?shù)膱D像光線沒有反射作用且能夠透射光學(xué)波導(dǎo)片外側(cè)的真實(shí)場景的平面1225c，從而使第一微結(jié)構(gòu)陣列面1225形成部分反射及部分透射的混合微結(jié)構(gòu)陣列面。所述V形槽的斜面1225b垂直于在光學(xué)波導(dǎo)片中全反射過來的光線RP，其上方?jīng)]有鍍反射膜。光線RP經(jīng)過斜面1225b折射之后，沿原路出射到空氣介質(zhì)中，并入射到另一側(cè)斜面1225a上，斜面1225a上面鍍有反射膜，從而形成光線反射斜面，其將入射光線RP再次反射，反射后的光線沿著PO的方向入射到眼瞳中，在人眼的正前方形成一個(gè)顯示屏幕片中放大的虛像。所述斜面1225a與光軸OO’的夾角與具體實(shí)施方案十一中所述的一樣，其為光線RP與光軸OO’的夾角的一半。

圖27中，所述光線R’P’為經(jīng)過相鄰鋸齒形微結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)E的邊緣光線，經(jīng)過斜面1225b之后，其也入射到另一側(cè)斜面1225a上的P’點(diǎn)，因此沒有入射到平面1225c上，即平面1225c對波導(dǎo)片內(nèi)全反射傳輸?shù)墓饩€沒有反射作用，因此本實(shí)施例與圖4所示的現(xiàn)有實(shí)施方案，其反射面結(jié)構(gòu)之間的空隙為平面的波導(dǎo)技術(shù)為不同的實(shí)施方案。圖4所示的現(xiàn)有實(shí)施方案，其反射面結(jié)構(gòu)之間的空隙為平面的位置對光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)傳輸?shù)墓饩€具有反射作用，對最后輸出的圖像產(chǎn)生干擾。

除了第一微結(jié)構(gòu)陣列面1225的斜面對光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)傳播的光束進(jìn)行序列的反射偏轉(zhuǎn)，將顯示屏幕片1中的圖像成像于人眼正前方的遠(yuǎn)處之外，另一方面，從光學(xué)波導(dǎo)片外側(cè)入射的光線TT’則可以經(jīng)過平面1225c直接穿過光學(xué)波導(dǎo)片進(jìn)入到眼瞳中，人眼同時(shí)也可以看到光學(xué)波導(dǎo)片外側(cè)的真實(shí)場景。因此本具體實(shí)施方案所述波導(dǎo)式的頭戴顯示技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。

實(shí)施例十三

本實(shí)用新型的實(shí)施例十三提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，與上述實(shí)施例十一不同的是，當(dāng)其焦距較長，顯示的圖像較小時(shí)，這時(shí)可以使用直投式的波導(dǎo)頭戴顯示器光學(xué)方案。如圖28所示，光學(xué)波導(dǎo)片的光線耦合輸入結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在光學(xué)波導(dǎo)片靠近耳朵一側(cè)的側(cè)端部位的耦合輸入部和設(shè)置在耦合輸入部末端的耦合輸入面1521，耦合輸入面1521正對著顯示屏幕片，顯示屏幕片輸出的圖像光線經(jīng)過耦合輸入面1521后直接投射到光學(xué)波導(dǎo)片外側(cè)面的光學(xué)反射面1522。

圖28中，每個(gè)V形槽的鋸齒由左右兩個(gè)斜面構(gòu)成，左側(cè)的斜面鍍有反射膜，其與經(jīng)過眼瞳的光軸的夾角，為入射光線與眼瞳的光軸的夾角的一半。右側(cè)的斜面則垂直于入射光線。所述第一微結(jié)構(gòu)陣列面1524的原理與具體實(shí)施方案十一所述的一致。

實(shí)施例十四

本實(shí)用新型的實(shí)施例十四提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，與上述實(shí)施例十二不同的是，當(dāng)其焦距較長，顯示的圖像較小時(shí)，這時(shí)可以使用上述實(shí)施例十三所述的直投式的波導(dǎo)頭戴顯示器光學(xué)方案。

如圖29所示，所述第一微結(jié)構(gòu)陣列面1624除了實(shí)現(xiàn)將光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)傳輸?shù)墓饩€反射和偏轉(zhuǎn)至人眼之外，還可以實(shí)現(xiàn)部分透射的功能，其同時(shí)將波導(dǎo)片外側(cè)的真實(shí)場景透過波導(dǎo)片，導(dǎo)入到眼瞳中。人眼同時(shí)可以看到顯示屏幕片1中的虛擬圖像和正前方的真實(shí)場景，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。所述鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面1624的原理與具體實(shí)施方案十二所述的一致。

實(shí)施例十五

本實(shí)用新型的實(shí)施例十五提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，所述光學(xué)波導(dǎo)片的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面可以位于光學(xué)波導(dǎo)片的內(nèi)側(cè)面、靠近眼瞳的區(qū)域。當(dāng)其焦距較長，顯示的圖像較小時(shí)，可以采用直投式的波導(dǎo)頭戴顯示器光學(xué)方案，其光學(xué)波導(dǎo)片也可以結(jié)合變焦透鏡組實(shí)現(xiàn)光學(xué)變焦的顯示。如圖30所示，在上述實(shí)施例十三的基礎(chǔ)上，所述顯示屏幕片1與光學(xué)波導(dǎo)片1740的光線耦合輸入結(jié)構(gòu)之間依次設(shè)有補(bǔ)償透鏡組172和變倍透鏡組173，在光學(xué)波導(dǎo)片1740的第一微結(jié)構(gòu)陣列面1744和眼瞳之間設(shè)置有前固定透鏡組175。當(dāng)補(bǔ)償透鏡組172和變倍透鏡組173沿著垂直于顯示屏幕片1的光軸方向按虛線箭頭所示的規(guī)律呈非線性速率的移動(dòng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)焦距長短的變化，從而實(shí)現(xiàn)顯示圖像大小的變化。

所述前固定透鏡組175可以優(yōu)選由兩片透鏡組成，其也可以只有一片透鏡，根據(jù)具體情況設(shè)置。所述補(bǔ)償透鏡組172和變倍透鏡組173優(yōu)選只由一片透鏡組成，其也可以為兩片以上的透鏡，根據(jù)分辨率、視場角和變焦倍數(shù)來確定。

實(shí)施例十六

本實(shí)用新型的實(shí)施例十六提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，所述光學(xué)波導(dǎo)片的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面可以位于光學(xué)波導(dǎo)片的內(nèi)側(cè)面、靠近眼瞳的區(qū)域。當(dāng)其焦距較長，顯示的圖像較小時(shí)，可以采用直投式的波導(dǎo)頭戴顯示器光學(xué)方案，其光學(xué)波導(dǎo)片也可以結(jié)合變焦透鏡組實(shí)現(xiàn)光學(xué)變焦的顯示。如圖31所示，在上述實(shí)施例十四的基礎(chǔ)上，所述顯示屏幕片1與光學(xué)波導(dǎo)片1840的光線耦合輸入結(jié)構(gòu)之間依次設(shè)有補(bǔ)償透鏡組182和變倍透鏡組183，在光學(xué)波導(dǎo)片1840的第一微結(jié)構(gòu)陣列面1844和眼瞳之間設(shè)置有前固定透鏡組185。

所述光學(xué)波導(dǎo)片1840為部分透射式的，人眼同時(shí)可以看到顯示屏幕片中的虛擬圖像和正前方的真實(shí)場景，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。另外，當(dāng)補(bǔ)償透鏡組182和變倍透鏡組183沿著垂直于顯示屏幕片1的光軸方向按虛線箭頭所示的規(guī)律呈非線性速率的移動(dòng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的光學(xué)變焦，從而實(shí)現(xiàn)顯示圖像大小的變化。

實(shí)施例十七

本實(shí)用新型的實(shí)施例十七提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，所述光學(xué)波導(dǎo)片用于反射和偏轉(zhuǎn)光線的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面位于光學(xué)波導(dǎo)片的內(nèi)側(cè)面、靠近眼瞳的區(qū)域，所述光學(xué)波導(dǎo)片可以與負(fù)透鏡組合，以適用于近視的人群。如圖32所示，在上述實(shí)施例十一的基礎(chǔ)上，所述光學(xué)波導(dǎo)片1920的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面1925與眼瞳之間設(shè)置了一個(gè)負(fù)透鏡193，其用于矯正近視眼使用者的視力，具體負(fù)透鏡的焦距可以根據(jù)使用者的近視度數(shù)來調(diào)整，這樣使用者可以清楚看到顯示屏幕片中位于人眼正前方放大的虛像。

實(shí)施例十八

本實(shí)用新型的實(shí)施例十八提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，所述光學(xué)波導(dǎo)片用于反射和偏轉(zhuǎn)光線的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面位于光學(xué)波導(dǎo)片的內(nèi)側(cè)面、靠近眼瞳的區(qū)域，所述光學(xué)波導(dǎo)片可以與正透鏡組合，以適用于老花的人群。如圖33所示，在上述實(shí)施例十二的基礎(chǔ)上，所述光學(xué)波導(dǎo)片2020為部分透射式的，人眼同時(shí)可以看到顯示屏幕片中的虛擬圖像和正前方的真實(shí)場景，其鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面2025與眼瞳之間設(shè)置了一個(gè)正透鏡203，其用于矯正老花眼使用者的視力，具體正透鏡的焦距可以根據(jù)使用者的老花度數(shù)來調(diào)整。這樣使用者可以清楚看到顯示屏幕片中位于人眼正前方放大的虛像。

實(shí)施例十九

本實(shí)用新型的實(shí)施例十九提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，所述光學(xué)波導(dǎo)片用于反射和偏轉(zhuǎn)光線的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面2135位于光學(xué)波導(dǎo)片的內(nèi)側(cè)面、靠近眼瞳的區(qū)域。所述光學(xué)波導(dǎo)片可以設(shè)置一個(gè)類似直角棱鏡的第一全反射面，同時(shí)結(jié)合高清晰目鏡組，實(shí)現(xiàn)最大的放大倍率和圖像分辨率。如圖34所示，在上述實(shí)施例十一的基礎(chǔ)上，該波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置由顯示屏幕片1、目鏡組212(由透鏡2121、2122、2123組成)和反射式的光學(xué)波導(dǎo)片2130組成，所述光學(xué)波導(dǎo)片2130設(shè)置了一個(gè)類似直角棱鏡的第一全反射面2132，同時(shí)結(jié)合高清晰目鏡組212，實(shí)現(xiàn)最大的放大倍率和圖像分辨率。

實(shí)施例二十

本實(shí)用新型的實(shí)施例二十提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，所述光學(xué)波導(dǎo)片用于反射和偏轉(zhuǎn)光線的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面2235位于光學(xué)波導(dǎo)片的內(nèi)側(cè)面、靠近眼瞳的區(qū)域。如圖35所示，在上述實(shí)施例十二的基礎(chǔ)上，該波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置由顯示屏幕片1、目鏡組222(由透鏡2221、2222、2223組成)和部分透射式的光學(xué)波導(dǎo)片2230組成。所述光學(xué)波導(dǎo)片2230設(shè)置了一個(gè)類似直角棱鏡的第一全反射面2232，同時(shí)結(jié)合高清晰目鏡組222，實(shí)現(xiàn)最大的放大倍率和圖像分辨率。

實(shí)施例二十一

本實(shí)用新型的實(shí)施例二十一提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，其是針對上述實(shí)施例十一所述的波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置所做出的改進(jìn)，上述實(shí)施例十一所述的位于光學(xué)波導(dǎo)片的內(nèi)側(cè)面、靠近眼瞳的區(qū)域的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面1125，其斜面1125a需要鍍反射膜，工藝比較復(fù)雜。本具體實(shí)施方案提出了設(shè)置一種較高折射率補(bǔ)償片的方法，可以采用全反射的方法將光學(xué)波導(dǎo)片中傳輸過來的光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)并輸入到眼瞳中，不用在任何斜面上鍍膜。

如圖36所示，本具體實(shí)施方案所述的波導(dǎo)式的頭戴顯示器光學(xué)裝置由顯示屏幕片1、光學(xué)波導(dǎo)片1320和與其配套組合的補(bǔ)償片133組成，光學(xué)波導(dǎo)片1320靠近耳朵一側(cè)的側(cè)端部位設(shè)有用于將顯示裝置輸出的圖像光線輸入到光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)部的光線耦合輸入結(jié)構(gòu)，光線耦合輸入結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在光學(xué)波導(dǎo)片靠近耳朵一側(cè)的側(cè)端部位的耦合輸入部、設(shè)置在耦合輸入部末端的耦合輸入面1321和用于對從耦合輸入面輸入的圖像光線進(jìn)行全反射偏轉(zhuǎn)使其偏轉(zhuǎn)進(jìn)入到光學(xué)波導(dǎo)片外側(cè)面的光學(xué)反射面的第一全反射面1322，第一全反射面1322設(shè)置在耦合輸入部的側(cè)面并與光學(xué)波導(dǎo)片的外側(cè)面傾斜設(shè)置，耦合輸入面1321正對著顯示屏幕片1。當(dāng)然，該波導(dǎo)式的頭戴顯示器光學(xué)裝置也可以采用上面實(shí)施例所述的直投式的光線耦合輸入結(jié)構(gòu)。

所述第一全反射面1322可以設(shè)置為平面、自由曲面、超環(huán)面、X和Y方向的曲率半徑不同的離軸二次曲面、多項(xiàng)式曲面、X和Y方向的曲率半徑及錐度系數(shù)均不同的雙錐系數(shù)曲面或者帶有棱鏡結(jié)構(gòu)反射面。

所述耦合輸入面1321可以設(shè)置為平面、圓柱面、球面、非球面、自由曲面、混合曲面、斜面、菲涅爾曲面或者帶有V槽輪廓的直紋面。在本實(shí)施例中，優(yōu)選設(shè)置為非球面的耦合輸入面。

在光學(xué)波導(dǎo)片1320的外側(cè)面和內(nèi)側(cè)面中，至少在其外側(cè)面設(shè)有將經(jīng)過光線耦合輸入結(jié)構(gòu)輸入的圖像光線進(jìn)行至少一次全反射傳輸?shù)墓鈱W(xué)反射面1323，光學(xué)波導(dǎo)片1320的內(nèi)側(cè)面正對人眼區(qū)域的位置設(shè)有鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面1325，第一微結(jié)構(gòu)陣列面1325的外側(cè)設(shè)有補(bǔ)償片133，補(bǔ)償片133朝向光學(xué)波導(dǎo)片1320的第一微結(jié)構(gòu)陣列面1325的內(nèi)側(cè)面上設(shè)有鋸齒形V槽狀的第四微結(jié)構(gòu)陣列面1331。所述補(bǔ)償片133的折射率高于光學(xué)波導(dǎo)片1320的折射率。

如圖37所示，第一微結(jié)構(gòu)陣列面1325具有至少兩個(gè)依次設(shè)置的鋸齒1320，相鄰兩個(gè)鋸齒1320之間設(shè)有由斜面1325a和1325b構(gòu)成的V形槽，所述第四微結(jié)構(gòu)陣列面1331的鋸齒形狀與第一微結(jié)構(gòu)陣列面1325的鋸齒形狀相適配，第四微結(jié)構(gòu)陣列面1331也具有至少兩個(gè)依次設(shè)置的鋸齒1330，第四微結(jié)構(gòu)陣列面1331的鋸齒1330由斜面1330a和1330b構(gòu)成，相鄰兩個(gè)鋸齒1330之間設(shè)有與第一微結(jié)構(gòu)陣列面1325的鋸齒1320相對應(yīng)的V形槽，第一微結(jié)構(gòu)陣列面1325與第四微結(jié)構(gòu)陣列面1331間隔設(shè)置形成有折射率低于補(bǔ)償片的空氣隙，所述空氣隙的間隔可以為4～7微米，具體實(shí)施方案優(yōu)選為5微米。

從光學(xué)波導(dǎo)片1320的光學(xué)反射面1323處全反射過來的光線RP，經(jīng)過第一微結(jié)構(gòu)陣列面1325的斜面1325b之后，穿過空氣隙，再穿過補(bǔ)償片的斜面1330b，入射到補(bǔ)償片的斜面1330a上，由于斜面1330a的外側(cè)是折射率較低的空氣隙，P點(diǎn)位置達(dá)到全反射條件，因此光線RP被斜面1330a全反射，全反射后的光線向下輸出，進(jìn)入到眼瞳中。因此加了折射率較高的補(bǔ)償片133之后，光學(xué)波導(dǎo)片及補(bǔ)償片的任何斜面都不需要鍍反射膜。

所述第一微結(jié)構(gòu)陣列1325的斜面1325b和第四微結(jié)構(gòu)陣列面1331的斜面1330b垂直于光線RP，第一微結(jié)構(gòu)陣列面1325的斜面1325a和第四微結(jié)構(gòu)陣列面1331的斜面1330a與光軸OO’的夾角A與具體實(shí)施方案十一中所述的一樣，其為光線RP與光軸OO’的夾角B的一半，即A＝B/2。

實(shí)施例二十二

本實(shí)用新型的實(shí)施例二十二提供了一種波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置，其是針對上述實(shí)施例十二所述的波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置所做出的改進(jìn)，本具體實(shí)施方案跟上述實(shí)施例二十一一樣也提出了設(shè)置一種較高折射率補(bǔ)償片的方法，可以采用全反射的方法將光學(xué)波導(dǎo)片中傳輸過來的光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)并輸入到眼瞳中，不用在任何微結(jié)構(gòu)陣列面的斜面上鍍反射膜，工藝簡單。

如圖38所示，該波導(dǎo)式的頭戴顯示器的光學(xué)裝置由顯示屏幕片1、光學(xué)波導(dǎo)片1420及與其配套組合的補(bǔ)償片143組成，所述光學(xué)波導(dǎo)片1420的結(jié)構(gòu)與上述實(shí)施例十二的光學(xué)波導(dǎo)片的結(jié)構(gòu)大部分相同，其具有一個(gè)非球面耦合輸入面1421、第一全反射面1422、位于光學(xué)波導(dǎo)片1420的外側(cè)面的光學(xué)反射面1423以及位于光學(xué)波導(dǎo)片的內(nèi)側(cè)面的鋸齒形V槽狀的第一微結(jié)構(gòu)陣列面1425。補(bǔ)償片143朝向第一微結(jié)構(gòu)陣列面1425的面上設(shè)有第四微結(jié)構(gòu)陣列面1430。

如圖39所示，在光學(xué)波導(dǎo)片1420的第一微結(jié)構(gòu)陣列面1425中，其V形槽由斜面1425a和1425b構(gòu)成，相鄰兩個(gè)V形槽之間的鋸齒端部設(shè)有對光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)全反射傳輸?shù)膱D像光線沒有反射作用且能夠透射光學(xué)波導(dǎo)片外側(cè)的真實(shí)場景的平面1425c。在補(bǔ)償片143的第四微結(jié)構(gòu)陣列面1430中，其鋸齒由斜面1430a和1430b構(gòu)成，相鄰兩個(gè)鋸齒之間設(shè)有對光學(xué)波導(dǎo)片內(nèi)全反射傳輸?shù)膱D像光線沒有反射作用且能夠透射光學(xué)波導(dǎo)片外側(cè)的真實(shí)場景的平面1430c。所述第四微結(jié)構(gòu)陣列面1430的鋸齒形狀與第一微結(jié)構(gòu)陣列面1425的鋸齒形狀相適配。第一微結(jié)構(gòu)陣列面和第四微結(jié)構(gòu)陣列面組合形成部分反射及部分透射的混合微結(jié)構(gòu)陣列面。

所述補(bǔ)償片143的折射率高于光學(xué)波導(dǎo)片的折射率，第一微結(jié)構(gòu)陣列面與第四微結(jié)構(gòu)陣列面間隔設(shè)置形成有折射率低于補(bǔ)償片的空氣隙，所述空氣隙的間隔可以為4～7微米，具體實(shí)施方案優(yōu)選為5微米。

從光學(xué)波導(dǎo)片光學(xué)反射面1423處全反射過來的光線RP，經(jīng)過斜面1425b之后，穿過空氣隙，再穿過補(bǔ)償片的斜面1430b，入射到補(bǔ)償片的另一側(cè)斜面1430a上，由于斜面1430a的外側(cè)是折射率較低的空氣隙，P點(diǎn)位置達(dá)到全反射條件，因此光線RP被斜面1430a全反射，全反射后的光線向下輸出，進(jìn)入到眼瞳中。因此加了折射率較高的補(bǔ)償片143之后，光學(xué)波導(dǎo)片及補(bǔ)償片的任何斜面都不需要鍍反射膜。

圖39中，所述第一微結(jié)構(gòu)陣列1425的右側(cè)斜面1425b和補(bǔ)償片143的右側(cè)斜面1430b垂直于光線RP。所述第一微結(jié)構(gòu)陣列1425的左側(cè)斜面1425a和補(bǔ)償片143的左側(cè)斜面1430a與光軸OO’的夾角與具體實(shí)施方案十二中所述的一樣，其為光線RP與光軸OO’的夾角的一半。

圖39中，所述光線R’P’為經(jīng)過相鄰鋸齒形微結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)E的邊緣光線，經(jīng)過斜面1425b、空氣隙、以及斜面1430b之后，其也入射到另一側(cè)斜面1430a上的P’點(diǎn)，因此沒有入射到平面1425c上，即平面1425c對波導(dǎo)片內(nèi)全反射傳輸?shù)墓饩€沒有反射作用，因此，這與圖4所示的現(xiàn)有技術(shù)方案相比，其反射面結(jié)構(gòu)之間的空隙為平面的波導(dǎo)技術(shù)為完全不同的實(shí)施方案。圖4所示的現(xiàn)有實(shí)施方案的反射面結(jié)構(gòu)之間的空隙為平面的位置對波導(dǎo)片內(nèi)傳輸?shù)墓饩€也具有反射作用，會(huì)對最后輸出到眼瞳中的圖像產(chǎn)生干擾。

除了鋸齒形微結(jié)構(gòu)的斜面對波導(dǎo)片內(nèi)傳播的光束進(jìn)行序列的反射偏轉(zhuǎn)，將顯示屏幕片1中的圖像成像于人眼正前方的遠(yuǎn)處。另一方面，從光學(xué)波導(dǎo)片外側(cè)入射的光線TT’則可以經(jīng)過平面1425c和1430c直接穿過光學(xué)波導(dǎo)片進(jìn)入到眼瞳中，人眼同時(shí)也可以看到波導(dǎo)片外側(cè)的真實(shí)場景。因此本具體實(shí)施方案所述波導(dǎo)式的頭戴顯示技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。

在此需要說明的是，在上述各個(gè)實(shí)施例中，所述光學(xué)波導(dǎo)片與微結(jié)構(gòu)陣列面可以為一體成型結(jié)構(gòu)。在制作成本及生產(chǎn)工藝上，可以采用高精密模具直接注塑成型實(shí)現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)陣列面與光學(xué)波導(dǎo)片一體注塑成型，制作成本低，產(chǎn)品精度高，生產(chǎn)快捷，容易實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)與普及化應(yīng)用。

當(dāng)然，所述光學(xué)波導(dǎo)片和微結(jié)構(gòu)陣列面也可以為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)陣列面可以設(shè)置為連接在光學(xué)波導(dǎo)片上的一種光學(xué)組件，所述光學(xué)組件設(shè)置為光學(xué)薄膜，所述光學(xué)薄膜通過光學(xué)膠粘連在光學(xué)波導(dǎo)片上。所述光學(xué)薄膜可以通過輥壓成型或壓模的方法制作，光學(xué)薄膜上刻好相應(yīng)的反射鋸齒，并在相應(yīng)的斜面印制反射膜，裁剪后通過光學(xué)膠粘貼的方法粘貼在光學(xué)波導(dǎo)片上，但是光學(xué)膠的折射率和光學(xué)波導(dǎo)片的折射率要基本相同。

上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。