一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统，包括微显示器、准直透镜、导光衬底和微反射单元，微反射单元的直径小于人眼瞳孔，微显示器发出的光束经准直透镜准直后变成平行光束，平行光束进入导光衬底，遇到至少一个微反射单元，微反射单元反射的光束从所述导光衬底的下表面射出，以平行光的形式进入人眼，透射的光束传播至下一个微反射单元。此光学系统可以提供具有接近无限景深、色彩明亮、清晰明锐的大视场角显示图像，可以方便的应用于增强现实显示、投影显示、近视矫正等诸多领域。矫正等诸多领域。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统


[0001]本专利技术属于光学成像
，尤其涉及一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统。

技术介绍

[0002]增强现实技术通过将虚拟数字信息和真实环境中的物体进行精确叠加，实现信息的提示和交互，而头戴增强现实应用中，利用光学元件使计算机产生的虚拟图像信息显示在观察者视野前方，便于穿戴者获取叠加信息的同时可以清晰地观察环境目标物，因此，对于头戴增强现实光学显示元件，要求能够提供接近无限景深、色彩明亮、清晰的大视场显示图像。
[0003]传统用于头戴增强现实的光学元件主要是基于45
°
反射面的光学棱镜。为了增大显示图像的尺寸，通过增加45
°
反射面的面积，即增加光学棱镜的反射式结构厚度来实现，否则导致鬼像出现降低显示图像的对比度，因此随着反射式结构厚度的增加导致显示系统体积的重量急剧增加，给使用者的穿戴带来了极大的不便。
[0004]为了解决传统穿戴显示光学系统的重量和视场的矛盾，美国Micro Vision公司的专利：US7736006B2中提出了一种显示技术方案，这种方案利用偏振衬底来实现光波偏振态的转化，让大角度的S光反射成像，小角度的P光完全透过反射面。此种方案的缺点在于采用大角度S光反射，P光透射，导致反射输出面在衬底底面的投影面积过小而不利于视场的扩展，同时加大了设计的难度，进而导致器件的厚度无法轻薄化。美国专利US7021777采用平面光波导的方式实现了大视场图像和显示装置轻薄化的问题，但显示图像视场受限于材料的全反射角以及只能在特定位置保持清晰。

技术实现思路

[0005]针对上述技术存在的缺陷，本专利技术提供的一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统不但在体积和重量方面有明显缩减，而且在图像景深和大视场角方面有更大的优势。
[0006]本专利技术的工作原理为：图像传导光学系统中至少存在一个直径小于人眼瞳孔的微反射单元，微显示器发出的锥形光束经准直透镜准直后变成平行光束，平行光束进入导光衬底之后，由于微反射单元的存在，每个针孔只能反射平行光束中的一部分细光束，被微反射单元反射的细光束进入人眼之后可以在视网膜上成清晰、明锐的显示图像。根据设计需要，可以合理的增加微反射单元的类型、数量、尺寸以及微反射单元的中心间距，从而可以保证人眼在观察远近的外界物体时，微显示器输出的虚拟图像都能在视网膜上成清晰、锐利的显示图像。
[0007]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术图像传导光学系统的显示图像具有长景深、大视场角以及将屈光度直接融合的能力。图像传导光学系统通过将大直径光束限制为更细、更集中的细光束，让虚拟图像集中
在视网膜上，提高图像锐度和清晰度，保证能够提供接近无限景深的显示图像，并且显示图像尺寸更大，同时能够满足屈光度调节要求。
[0008]当然，实施本专利技术的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
[0009]图1为传统反射式图像传导光学元件示意图；图2为平面光波导图像传导光学元件示意图；图3为平面光波导中光线在人眼视网膜上成像示意图；图4为人眼调节时光线在人眼视网膜上成像示意图；图5为针孔结构改变成像光束后人眼视网膜上成像示意图；图6为平面光波导成像系统中引入针孔结构示意图；图7为本专利技术的一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统示意图；图8为专利技术的一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统的微反射单元布局示意图；图9为专利技术的一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统的人眼方向视图。
[0010]图中，10-微显示器；11-准直透镜；12-导光衬底；13-上表面；14-微反射单元；15-下表面。
具体实施方式
[0011]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术的各实施方式进行详细的阐述。
[0012]参阅图1，传统反射式图像传导光学元件示意图。传统发射式图像传导光学元件主要由耦合输入面Input Surface-45、相互严格平行的上下表面Sur1和Sur2组成的导光衬底以及耦合输出面Output Surface-45组成。为了保证输入和输出光线的空间方向一致，因此传统反射式图像传导光学元件的各项几何参数需满足一定的条件，即βsur-in-45 = βsur-out-45 = 45
°
其中，βsur-in-45为耦合输入面Input Surface-45和导光衬底下表面Sur1的夹角，βsur-out-45为耦合输出面Output Surface-45和导光衬底上表面Sur2的夹角。
[0013]图像源中心像素点发出的准直光线Chief ray和边缘像素点发出的准直光线Marginal ray进入导光衬底后遇到耦合输入面Input Surface-45，经过耦合输入面Input Surface-45的发射直接和耦合输出面Output Surface-45相遇，经过耦合输出面的反射最终被输出到导光衬底外。在导光衬底中，准直光线Chief ray 和Marginal ray之间的夹角βfov-45限制了能够传输的显示图像的大小。图1中，当边缘像素点发出的准直光线和轴上点发出的光线夹角大于角βfov-45时，边缘光线和导光衬底上表面Sur2的相遇将导致鬼像出现，使显示图像对比度降低。为了避免鬼像出现同时增大显示图像尺寸，需要增大导光衬底的厚度Thickness-45，但是显示元件的重量和体积将变大，给穿戴应用带来极大的不便。
[0014]参阅图2，平面光波导图像传导光学元件示意图。平面光波导图像传导光学元件主要由耦合输入端 Iutput surface-WG、耦合输出端Output surface-WG以及相互严格平行
的上表面 WG-surf1和下表面WG-surf1组成。平面光波导图像传导光学元件最大的优点在于导光衬底厚度小于1mm，因此在重量和体积方面相比传统的反射式图像传导光学元件有很大的优势。
[0015]对于平面光波导图像传导光学元件，光线在导光衬底中以全反射方式传播，因此导光衬底中能够传输的显示图像的大小直接受限于材料的全反射角 β-critical。为了增大显示图像的尺寸，需要提高材料的折射率以保证光线在导光衬底中传输时满足全反射条件。但是随着材料折射率的增加，材料的密度也随之增加，并且可供选择的高折射率材料有限，这些因素导致可以传导的显示图像的尺寸有限。
[0016]对于平面光波导导光衬底，其上下表面的粗糙度、平行度和平面度等光学参数必须满足严格的光学设计要求，否则由于光线在导光衬底无法按照镜面反射的要求传输，导致来自同一物点的光束在输出导光衬底以后夹角大于人眼的分辨率角，从而降低了图像的清晰度和对比度，导致人眼直接观察时出现重影。另外，在平面波导的导光衬底中，图像光线以全反射条件传输，因此导光衬底的上下表面需要严格平行，因此无法将屈光度要求融合进去。
[0017]参阅图3，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统，其特征在于，包括微显示器、准直透镜、导光衬底和微反射单元，所述微反射单元的直径小于人眼瞳孔，所述微显示器发出的光束经所述准直透镜准直后变成平行光束，平行光束进入所述导光衬底，遇到至少一个所述微反射单元，所述微反射单元反射的光束从所述导光衬底的下表面射出，以平行光的形式进入人眼，透射的光束传播至下一个所述微反射单元。2.根据权利要求1所述的一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统，其特征在于，所述微反射单元“一”字排布在所述导光衬底上或者多行排布在所述导光衬底上。3.根据权利要求2所述的一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄海琴，罗豪，张文君，
申请(专利权)人：罗豪张文君上海理湃光晶技术有限公司，
类型：发明
国别省市：