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  • 用于增強現實顯示的交互頭戴顯示設備的制作方法

    文檔序號:11074607來源:國知局
    用于增強現實顯示的交互頭戴顯示設備的制造方法與工藝

    本實用新型涉及增強現實領域,特別是一種基于薄膜陣列的光波導擴展現用于增強現實顯示的交互頭戴顯示設備。



    背景技術:

    頭戴顯示器是集光電子、微電子、精密機械以及信號處理于一身的一種全新現代顯示技術。在軍事作戰、城市反恐、臨床醫療等領域有著廣泛的應用前景。

    現有技術US6747611B1于2004年實用新型,使用棱鏡作為頭戴顯示光學裝置,可以實現增強現實的目的。其缺點為棱鏡厚度很厚,單目視場角很小,不利于實際使用。

    現有技術PCT817033103822于2003年實用新型,使用LED與反射鏡進行反射,可以實現照明。其缺點在于裝置復雜、無法將入射光全部偏振化,能量利用率很低。

    現有技術US20080285140A1與2008年實用新型,使用波導技術進行光線傳輸控制。其缺點在于使用雙目結構需要兩套顯示裝置、光照裝置,導致頭戴顯示裝置較重



    技術實現要素:

    本實用新型的目的在于提供用于增強現實顯示的交互頭戴顯示設備,該裝置具有雙目顯示、大視場、光照效率高、顯示效果清晰等特點。

    為解決上述技術問題,本實用新型通過以下方案來實現:一種用于增強現實顯示的交互頭戴顯示設備包括:圖像采集裝置、微處理器、照明裝置、圖形顯示裝置、擴束裝置、偏振分光裝置、雙目波導顯示裝置;

    圖像采集裝置包括左眼攝像頭、右眼攝像頭;

    雙目波導顯示裝置包括左眼視覺導光面;右眼視覺導光面;左眼薄膜陣列;右眼薄膜陣列;雙目波導;左眼吸光片;右眼吸光片;

    優選的、所述雙目波導顯示裝置外部設置有連接結構用于安裝圖像顯示裝置;所述圖像采集裝置通過視頻線路連接到微處理器;所述微處理器連接圖形顯示裝置;所述圖形顯示裝置的圖像出光面前方設置有偏振分光裝置;所述照明裝置的光線射入偏振分光裝置,所述偏振分光裝置一端設置有擴束裝置;所述擴束裝置的出光面前設置有雙目波導顯示裝置,并將矯正后的光影像經左眼視覺導光面;右眼視覺導光面,分別向雙目波導顯示裝置兩端傳送;所述照明裝置實現出射全偏振的s偏振光;所述圖形顯示裝置為LCOS顯示屏,LCOS顯示屏上顯示經微處理器分為等面積兩部分顯示,顯示內容完全一致;所述雙目波導顯示裝置延中軸線對稱設置有左、右眼傳送及顯示結構;其左眼傳送及顯示結構排布為左眼視覺導光面、雙目波導、左眼薄膜陣列、雙目波導、左眼吸光片;其右眼傳送及顯示結構排布為右眼視覺導光面、雙目波導、右眼薄膜陣列、雙目波導、右眼吸光片;所述雙目波導顯示裝置兩底端分別設置有左眼吸光片,右眼吸光片。

    優選的、所述左眼視覺導光面為基于全反射原理的反射鏡或者基于全息光學的全息光學元件實現;所述左眼視覺導光面設置在雙目波導顯示裝置內,左眼視覺導光面與經擴束裝置內的光影圖像傳播方向設置有一定夾角,其夾角的大小與光影圖像的傳播路徑相關聯;所述右眼視覺導光面與左眼視覺導光面材料相一致;所述右眼視覺導光面與左眼視覺導光面延雙目波導顯示裝置中心軸對稱設置。

    優選的、所述左眼薄膜陣列由兩個或兩個以上的薄膜平行疊加而成的層疊的薄膜組;所述薄膜為多層納米級膜系加工制作,其工藝在于一個薄膜在加工時對每一層薄膜的厚度和折射率進行實時測量,將前面沉積的薄膜所產生的誤差通過膜厚監控系統控制即將要沉積的薄膜的厚度來進行修正,通過物理沉積、化學沉積工藝將薄膜制備薄膜;所述左眼薄膜陣列按照一定角度鍍在傾斜放置的透明介質基板上,以保證在設計視場角內形成連續無間斷無重影的光影像成像區域;所述左眼薄膜陣列與右眼薄膜陣列的材料相一致;所述左眼薄膜陣列與右眼薄膜陣列延雙目波導顯示裝置中心軸對稱設置。

    優選的、所述擴束裝置由第一透鏡組和第二透鏡組組成,第一透鏡組和第二透鏡組由單透鏡或者膠合透鏡組加工。

    優選的、所述偏振分光裝置結構內設置有偏振敏感的膜系;經照明裝置入射s偏振光投影到圖形顯示裝置,再經圖形顯示裝置反射后出射p偏振光,透射偏振分光裝置進入擴束裝置。

    優選的、所述照明裝置包括光源、第一反射裝置、第二反射裝置、全偏正器;所述第一反射裝置設置在光源出光面的正前端;所述第二反射裝置設置在光源出光面的后端;第二反射裝置為中心開口的自由曲面結構;開口位置與光源的出光面一致;所述光源發出的光經過第一反射裝置將光線反射后在經第二反射裝置將光線反射進入全偏正器,其目的在于將光源發射的光準直并均勻的射入進入全偏正器,減少由于光強與光弱所產生的光斑或光暈。

    優選的、所述全偏正器內設置有第一折衍棱鏡、介質空氣片堆、第二折衍棱鏡;所述第一折衍棱鏡由折射棱鏡及設置在折射棱鏡上的衍射面組成;所述第二折衍棱鏡由折射棱鏡及設置在折射棱鏡上的衍射面組成;所述介質空氣片堆結構在于由多層透明材料與空氣層的交替結構疊加組成;其交替結構與光線的覆蓋面積相一致。

    附圖說明

    圖1為本技術產品的結構示意圖;

    圖2為本技術產品的流程示意圖;

    圖3為本技術產品的雙目波導顯示裝置結構俯視示意圖;

    圖4為本技術產品的雙目波導顯示裝置結構正視示意圖;

    圖5為本技術產品的擴束裝置結構示意圖;

    圖6為本技術產品的圖像顯示裝置顯示效果圖;

    圖7為本技術產品的照明裝置結構示意圖;

    圖8為本技術產品的全偏正器結構示意圖;

    圖9為本技術產品的折衍棱鏡結構示意圖;

    圖10為本技術產品的折衍棱鏡光路效果圖1;

    圖11對比技術產品的折射棱鏡光路效果圖;

    圖12為本技術產品的介質空氣堆結構示意圖;

    圖13為本技術產品的折衍棱鏡光路效果圖2;

    圖14為本技術產品的介質空氣堆光路效果圖;

    圖15為本技術產品的薄膜陣列入射角透射率曲線;

    圖16為本技術產品的光波導光照圖;

    圖17為本技術產品的光波導畸變圖;

    圖18為本技術產品的光波導能量曲線;

    圖19為本技術產品的光波導MTF曲線;

    圖20為本技術產品的光波導點列圖。

    附圖中標記:

    具體實施方式

    下面結合附圖對本實用新型的優選實施例進行詳細闡述,以使本實用新型的優點和特征能更易于被本領域技術人員理解,從而對本實用新型的保護范圍做出更為清楚明確的界定。

    請參照附圖1-14,本技術是這樣實現的一種用于增強現實顯示的交互頭戴顯示設備包括:圖像采集裝置、微處理器、照明裝置、圖形顯示裝置、擴束裝置、偏振分光裝置、雙目波導顯示裝置;

    圖像采集裝置包括左眼攝像頭、右眼攝像頭;

    雙目波導顯示裝置包括左眼視覺導光面;右眼視覺導光面;左眼薄膜陣列;右眼薄膜陣列;雙目波導;左眼吸光片;右眼吸光片;

    優選的、所述雙目波導顯示裝置外部設置有連接結構用于安裝圖像顯示裝置;所述圖像采集裝置通過視頻線路連接到微處理器;所述微處理器連接圖形顯示裝置;所述圖形顯示裝置的圖像出光面前方設置有偏振分光裝置;所述照明裝置的光線射入偏振分光裝置,所述偏振分光裝置一端設置有擴束裝置;所述擴束裝置的出光面前設置有雙目波導顯示裝置,并將矯正后的光影像經左眼視覺導光面;右眼視覺導光面,分別向雙目波導顯示裝置兩端傳送;所述照明裝置實現出射全偏振的s偏振光;所述圖形顯示裝置為LCOS顯示屏,如圖7所示LCOS顯示屏上顯示經微處理器分為等面積兩部分顯示,顯示內容完全一致;微處理器將接收處理左眼右眼攝像頭視覺信號并驅動LCOS顯示屏(3-1),搭載微處理器控制LCOS顯示屏(3-1)上呈現左眼與右眼部分的顯示內容,處理左右眼攝像頭視頻流信息,并通過人眼立體視覺原理獲得攝像頭所指向空間范圍內的深度信息,微處理器控制LCOS顯示屏(3-1)進行顯示,通過穿透式的光機,疊加在真實物體之上,LCOS顯示屏(3-1)所顯示的虛擬物體的位置信息,通過左右攝像頭獲得的深度信息與二維彩色信息,又經微處理器處理得到。

    優選的、所述雙目波導顯示裝置延中軸線對稱設置有左、右眼傳送及顯示結構;其左眼傳送及顯示結構排布為左眼視覺導光面、雙目波導、左眼薄膜陣列、雙目波導、左眼吸光片;其右眼傳送及顯示結構排布為右眼視覺導光面、雙目波導、右眼薄膜陣列、雙目波導、右眼吸光片;所述雙目波導顯示裝置兩底端分別設置有左眼吸光片,右眼吸光片。

    優選的、所述左眼視覺導光面為基于全反射原理的反射鏡或者基于全息光學的全息光學元件實現;所述左眼視覺導光面設置在雙目波導顯示裝置內,左眼視覺導光面與經擴束裝置內的光影圖像傳播方向設置有一定夾角,其夾角的大小與光影圖像的傳播路徑相關聯;所述右眼視覺導光面與左眼視覺導光面材料相一致;所述右眼視覺導光面與左眼視覺導光面延雙目波導顯示裝置中心軸對稱設置。

    優選的、所述左眼薄膜陣列由兩個或兩個以上的薄膜平行疊加而成的層疊的薄膜組;所述薄膜為多層納米級膜系加工制作,其工藝在于一個薄膜在加工時對每一層薄膜的厚度和折射率進行實時測量,將前面沉積的薄膜所產生的誤差通過膜厚監控系統控制即將要沉積的薄膜的厚度來進行修正,通過物理沉積、化學沉積工藝將薄膜制備薄膜;所述左眼薄膜陣列按照一定角度鍍在傾斜放置的透明介質基板上,以保證在設計視場角內形成連續無間斷無重影的光影像成像區域;所述左眼薄膜陣列與右眼薄膜陣列的材料相一致;所述左眼薄膜陣列與右眼薄膜陣列延雙目波導顯示裝置中心軸對稱設置。

    如圖2-3所示,雙目波導顯示裝置包括:左眼視覺導光面(1-1);右眼視覺導光面(1-2);左眼薄膜陣列(1-3);右眼薄膜陣列(1-4);雙目波導(1-5);左眼吸光片(1-8);右眼吸光片(1-9);

    雙目波導顯示裝置外部設置有連接結構用于安裝圖像顯示裝置;

    如圖1-2所示雙目波導顯示裝置延中軸線對稱設置有左、右眼傳送及顯示結構;其左眼傳送及顯示結構排布為左眼視覺導光面(1-1)、雙目波導(1-5)、左眼薄膜陣列(1-3)、雙目波導(1-5)、左眼吸光片(1-8);其右眼傳送及顯示結構排布為左眼視覺導光面(1-2)、雙目波導(1-5)、右眼薄膜陣列(1-4)、雙目波導(1-5)、右眼吸光片(1-9);

    雙目波導顯示裝置兩底端分別設置有吸光片,其功能在于吸收多余的雜光,抑制雜散光的反射從而減少雜光對影響觀察區域內的圖像影響。

    左眼視覺導光面(1-1)為基于全反射原理的反射鏡或者基于全息光學的全息光學元件HOE實現;左眼視覺導光面(1-1)設置在雙目波導顯示裝置內,左眼視覺導光面(1-1)與經擴束裝置內的光影圖像傳播方向設置有一定夾角,其夾角的大小與光影圖像的傳播路徑相關聯。

    右眼視覺導光面(1-2)與左眼視覺導光面(1-1)材料相一致;

    右眼視覺導光面(1-2)與左眼視覺導光面(1-1)延雙目波導顯示裝置中心軸對稱設置;

    左眼薄膜陣列由兩個或兩個以上的薄膜平行疊加而成的層疊的薄膜組;所述薄膜為多層納米級膜系加工制作,其工藝在于一個薄膜在加工對每一層薄膜的厚度和折射率進行實時測量,將前面沉積的薄膜所產生的誤差通過膜厚監控系統控制即將要沉積的薄膜的厚度來進行修正。;

    左眼薄膜陣列鍍在傾斜的界面上,且在傾斜放置區域內形成光影像成像區域。

    左眼薄膜陣列與右眼薄膜陣列的材料相一致;

    左眼薄膜陣列與右眼薄膜陣列延雙目波導顯示裝置中心軸對稱設置;

    本技術采用薄膜陣列對圖像進行折射輸出可以使雙目波導顯示裝置結構可以做成雙目超薄結構;薄膜陣列可以實現降低波導厚度與擴大視場角(FOV)的作用;現有技術很多都是采用棱鏡結構進行圖像的輸出作為載體,棱鏡結構的厚度一般在10-12mm左右,而薄膜陣列可以做到厚度為2mm-4mm,因此可以大大降低產品波導結構的厚度同時擴大視場角.

    左眼薄膜陣列傾斜放置所形成的入射角有兩種情況,第一種在波導上下界面經歷奇數次全反射后到達左眼薄膜陣列,一部分透射,一部分反射進入人眼,其入射角為β3;第二種在界面全部透射,其入射角為β4,角度關系為

    β3=β1

    β4=3β1

    觀察區域內眼睛瞳孔大小為de,出瞳位置為D,光波導厚度T,所述結構的視場角為

    光波導厚度與視場角的關系為

    T=(DtanFOV+de)tanβ1

    圖像傳送可根據波導基底折射率為n1,空氣折射率為n0,在波導基底內發生全反射的條件為

    β2=2β1

    β2>β

    經過左\右眼視覺導光面發出的光影像再經過設置在雙目波導(1-5)分別傳遞進入到左眼薄膜陣列(1-3)及右眼薄膜陣列(1-4)折射后,對影像進行輸出,并由人眼進行觀察圖像顯示效果。

    優選的、所述擴束裝置由第一透鏡組和第二透鏡組組成,第一透鏡組和第二透鏡組由單透鏡或者膠合透鏡組加工。擴束裝置的設計可根據圖像顯示裝置的屏幕的尺寸進行靈活設計,同時擴束裝置還可以更具波導厚度及導光面傾斜角進行靈活設計,均由第一透鏡組和第二透鏡組的結構進行調整。

    擴束裝置(2-1)的光影像出射方向的前端設置有雙目波導顯示裝置,并將矯正后的光影像經左眼視覺導光面(1-1);右眼視覺導光面(1-2),分別向雙目波導顯示裝置兩端傳送;

    所述擴束裝置的放大倍數M由左、右眼視覺導光面尺寸LREPLECT與LCOS顯示屏有效尺寸Llcos決定,

    優選的、所述偏振分光裝置結構內設置有偏振敏感的膜系;經照明裝置入射s偏振光投影到圖形顯示裝置,再經圖形顯示裝置反射后出射p偏振光,透射偏振分光裝置進入擴束裝置。

    偏振分光裝置為一個或多個棱鏡組結構組成;其功能在于:經照明裝置(3-3)入射s偏振光投影到LCOS顯示屏(3-1),再經LCOS顯示屏(3-1)反射后出射p偏振光,透射偏振分光裝置(3-2)進入擴束裝置(2-1)。其功能是對將偏振分光裝置(PBS)出射的光束進行無畸變的擴束;

    優選的、所述照明裝置包括光源、第一反射裝置、第二反射裝置、全偏正器;所述第一反射裝置設置在光源出光面的正前端;所述第二反射裝置設置在光源出光面的后端;第二反射裝置為中心開口的自由曲面結構;開口位置與光源的出光面一致;所述光源發出的光經過第一反射裝置將光線反射后在經第二反射裝置將光線反射進入全偏正器,其目的在于將光源發射的光準直并均勻的射入進入全偏正器,減少由于光強與光弱所產生的光斑或光暈。

    第一反射裝置、第二反射裝置及光源的距離及自由曲面設計可參考現有技術:CN103912809B。

    優選的、所述全偏正器內設置有第一折衍棱鏡、介質空氣片堆、第二折衍棱鏡;所述第一折衍棱鏡由折射棱鏡及設置在折射棱鏡上的衍射面組成;所述第二折衍棱鏡由折射棱鏡及設置在折射棱鏡上的衍射面組成;所述介質空氣片堆結構在于由多層透明材料與空氣層的交替結構疊加組成;其交替結構與光線的覆蓋面積相一致。

    全偏正器內設置有第一折衍棱鏡、介質空氣片堆、第二折衍棱鏡;

    第一折衍棱鏡由折射棱鏡及設置在折射棱鏡上的衍射面組成;

    第二折衍棱鏡由折射棱鏡及設置在折射棱鏡上的衍射面組成;

    介質空氣片堆結構在于由多層透明材料與空氣層的交替結構疊加組成;其交替結構與光線的覆蓋面積想一致;

    所述衍射面使用超精密加工的方法制作出衍射微結構,利用衍射元件的負色散性質與折射棱鏡的色散進行抵消,進而實現消色差。利用衍射元件的負色散性質與折射棱鏡的色散性質進行抵消,從而實現消色差。相比于傳統折射棱鏡結構,這種折衍混合棱鏡結構在校正色差方面具有獨特的優勢,減少透鏡使用數量,降低減輕系統重量,降低系統成本。使用超精密衍射面的加工方法,使得衍射面具有特定的相位分布函數。分布函數為

    Z(x,y)=C00+C01y+C10x+C11xy+C20x2+…+Ci,k-ixiyk-i+… (1)

    折衍棱鏡的衍射面的微結構并不固定,根據的衍射面形成的優化結果是不同的,比如有的微結構設計成本低一些,但是補償色散能力有限,加工方便;有的衍射面微結構會很復雜,補償色散能力很好,其加工工藝及材料選擇上選擇性很廣,實施效果可根據技術要求做進一步的優化。

    衍射面的數學理論如下:

    波長為λmiddle的光線以入射角θ入射到d為周期的光柵上,m級衍射角為θdmiddle,那么θdmiddle與θ的關系為

    d(sinθdmiddle-sinθ)=mλmiddle (2)

    可以得到θd表達式

    那么λmiddle波長的光線m級衍射光的折射率為

    同理,波長為λ的光以相同入射角入射到改光柵上,該級衍射光對應的折射率為

    由(4)、(5)可得

    由(6)知對于衍射光學元件,其折射率隨著波長增大而增大,Abbe數為

    由(7)可知,衍射光學元件的Abbe數為負值,折射光學元件為正值。為了校正折射棱鏡的色差,需要滿足消色差公式

    滿足消色差公式的衍射面面型即為此處需要的面型。

    所述衍射棱鏡的特性是補償折射棱鏡色散問題,衍射光學原件(DOE)阿貝數為負值,可以消除折射棱鏡的色差問題。若不使用衍射光學元件,會出現嚴重的色散問題,使用衍射光學元件,則可以彌補色差問題,而保證入射白色自然光,出射依然是白色自然光。

    白色自然光水平入射第一折衍棱鏡,衍射面用于消色差,折射棱鏡用于對光線的偏折,折射棱鏡偏折的角度與折射棱鏡頂角角度、消色差中心波長對應的折射率有關,數學表達式為

    求解偏折角的過程,就是解上述三角函數非線性方程的過程。

    只有當入射到介質空氣片堆的角度等于布儒斯特角時,才滿足反射光為s偏振光的結果,因此

    n為玻璃層的折射率。γ為入射到玻璃界面時的入射角。

    以上所述僅為本實用新型的優選實施方式,并非因此限制本實用新型的專利范圍,凡是利用本實用新型說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換,或直接或間接運用在其它相關的技術領域,均同理包括在本實用新型的專利保護范圍內。

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