本發(fā)明涉及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大視場角增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的顯示棱鏡及光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(ar)是一種將虛擬信息疊加到真實(shí)世界的顯示技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、教育、制造、娛樂等領(lǐng)域。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)元年的到來，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡越來越被大眾所熟知，產(chǎn)品也逐漸往消費(fèi)者市場蔓延。

作為頭戴式系統(tǒng)，考慮到佩戴者舒適度等問題，需要約束其結(jié)構(gòu)的尺寸及重量，這同時(shí)也限制了該類目鏡系統(tǒng)的視場角、出瞳等光學(xué)參數(shù)。目前市場上的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡都存在視場角小、出瞳不足等問題，這會(huì)導(dǎo)致用戶體驗(yàn)缺乏沉浸感。

微軟于2015年1月發(fā)布了一款基于全息波導(dǎo)顯示的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡hololens。全息波導(dǎo)由于僅僅起到光線傳輸?shù)淖饔?，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(xué)自由曲面棱鏡的應(yīng)用能有效提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)的視場角及出瞳等參數(shù)。公開號(hào)為cn101359089b的中國專利文獻(xiàn)公開了一種自由曲面棱鏡頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，包括一個(gè)具有三個(gè)光學(xué)表面的自由曲面棱鏡和一個(gè)微型圖像顯示器，從觀察者側(cè)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(cè)鍍有反射膜層；第三表面為凹面形狀的透射面，該光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際光路為微型液晶顯示器件發(fā)出的光線，先經(jīng)過第三表面透射進(jìn)入自由曲面棱鏡，然后在第一表面內(nèi)側(cè)上發(fā)生全反射，經(jīng)過第二表面反射，最后再次經(jīng)過第一表面透射至人眼。該自由曲面棱鏡對(duì)角線視場可達(dá)到50度，出瞳直徑8mm；但是為了不使外界場景觀看時(shí)發(fā)生傾斜和變形，需要膠合一塊補(bǔ)償棱鏡來補(bǔ)償光線的偏移和傾斜，增加了加工工藝的復(fù)雜程度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種大視場角增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的顯示棱鏡及光學(xué)系統(tǒng)，顯示棱鏡結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)中，可以增大光學(xué)系統(tǒng)的視場角，并且不需要增加補(bǔ)償棱鏡。

一種大視場角增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的顯示棱鏡，具有三個(gè)光學(xué)工作面，分別為：

第一光學(xué)工作面，其為平面；

第二光學(xué)工作面，為非球面或自由曲面；

第三光學(xué)工作面，與所述的第一光學(xué)工作面相互平行，該光學(xué)工作面上具有微結(jié)構(gòu)且鍍有半透半反膜；

表征虛擬信息的圖像光線從第一光學(xué)工作面透射進(jìn)入顯示棱鏡，經(jīng)過第二光學(xué)工作面反射后再次到達(dá)第一光學(xué)工作面并滿足全反射條件，經(jīng)第一光學(xué)工作面全反射的光線入射到具有微結(jié)構(gòu)的第三光學(xué)工作面上，反射后再從第一光學(xué)工作面透射至人眼；

外部環(huán)境光線從第三光學(xué)工作面透射進(jìn)入顯示棱鏡，經(jīng)第一光學(xué)工作面透射至人眼。

本發(fā)明顯示棱鏡的第一光學(xué)工作面為平面，表征虛擬信息的圖像光線從第一光學(xué)工作面進(jìn)入顯示棱鏡時(shí)沒有匯聚或者發(fā)散的效果；圖像光線經(jīng)過第二光學(xué)工作面反射、第一光學(xué)工作面全反射、第三光學(xué)工作面反射后從第一光學(xué)工作面透射至人眼，形成虛擬現(xiàn)實(shí)光路；現(xiàn)實(shí)光線從第三光學(xué)工作面透射進(jìn)入顯示棱鏡，經(jīng)第一光學(xué)工作面透射至人眼，形成現(xiàn)實(shí)光路；虛擬現(xiàn)實(shí)光路和現(xiàn)實(shí)光路疊加形成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果。

本發(fā)明顯示棱鏡的所述的第二光學(xué)工作面滿足以下面形方程，方程中用(x，y，z)表示表面上點(diǎn)的位置坐標(biāo)值：

j＝[(m+n)²+m+3n]/2+1

其中c是曲面頂點(diǎn)處的曲率，k是曲面的二次曲面常數(shù)，cj是曲面的j階系數(shù)。

所述的第三光學(xué)工作面上設(shè)有微結(jié)構(gòu)，為光學(xué)系統(tǒng)提供主要的光焦度，進(jìn)一步增大光學(xué)系統(tǒng)的視場角。

作為優(yōu)選，所述的微結(jié)構(gòu)為菲涅爾紋理結(jié)構(gòu)或全息透鏡結(jié)構(gòu)。

所述的第三光學(xué)工作面上的微結(jié)構(gòu)滿足以下面形方程，方程中用(x，y，z)表示表面上點(diǎn)的位置坐標(biāo)值：

其中c是曲面頂點(diǎn)處的曲率，k是曲面的二次曲面常數(shù)，ai是曲面的i階非球面系數(shù)，δh表示結(jié)構(gòu)矢高。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的微結(jié)構(gòu)為菲涅爾紋理結(jié)構(gòu)，菲涅爾紋理結(jié)構(gòu)的凹槽內(nèi)鍍半透半反膜后用與顯示棱鏡折射率相同的材料填平。

本發(fā)明顯示棱鏡的第三光學(xué)工作面和第一光學(xué)工作面相互平行，第三光學(xué)工作面表面微結(jié)構(gòu)的“凹槽”會(huì)用與顯示棱鏡折射率相同的材料填平，這樣現(xiàn)實(shí)光線經(jīng)過顯示棱鏡時(shí)不會(huì)發(fā)生傾斜或變形，因此，將該顯示棱鏡應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)中時(shí)不需要額外增加補(bǔ)償棱鏡；第二光學(xué)工作面為非球面或自由曲面，可增大顯示棱鏡的視場角；第三光學(xué)工作面上設(shè)有的微結(jié)構(gòu)目的也在于增大顯示棱鏡的視場角。

本發(fā)明還公開了一種大視場角增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的光學(xué)系統(tǒng)，包括：

圖像源，用于產(chǎn)生表征虛擬信息的圖像光線；

投影系統(tǒng)，至少包括兩個(gè)球面或非球面鏡片；

顯示棱鏡，為如上所述的顯示棱鏡；

所述的圖像光線經(jīng)過投影系統(tǒng)折射后從第一光學(xué)工作面透射進(jìn)入顯示棱鏡，經(jīng)過第二光學(xué)工作面反射后再次到達(dá)第一光學(xué)工作面并滿足全反射條件，經(jīng)第一光學(xué)工作面全反射的光線入射到具有微結(jié)構(gòu)的第三光學(xué)工作面上，反射后再從第一光學(xué)工作面透射至人眼；

外部環(huán)境光線從第三光學(xué)工作面透射進(jìn)入顯示棱鏡，經(jīng)第一光學(xué)工作面透射至人眼。

在該光學(xué)系統(tǒng)中，顯示棱鏡的第一光學(xué)工作面既是透射面又是反射面，表征虛擬信息的圖像光線由第二光學(xué)工作面反射后第一次經(jīng)過第一光學(xué)工作面時(shí)發(fā)生全反射，第二次經(jīng)過第一光學(xué)工作面時(shí)發(fā)生透射，表征虛擬信息的圖像光線在第一光學(xué)工作面上發(fā)生全反射和透射時(shí)分別滿足：

其中，θ1為圖像光線在第一光學(xué)工作面上發(fā)生全反射時(shí)入射角；θ2為圖像光線在第一光學(xué)工作面上發(fā)生透射時(shí)入射角；n為顯示棱鏡材料的折射率。

發(fā)生全反射時(shí)，圖像光線的入射角度要大于臨界角，否則圖像光線會(huì)直接透過第一光學(xué)工作面，甚至有可能進(jìn)入人眼造成雜散光，還造成圖像光線能量的損失，導(dǎo)致圖像亮度降低。

作為優(yōu)選，所述顯示棱鏡的材料為折射率大于1的透明光學(xué)材料。顯示棱鏡的折射率越大，對(duì)圖像光線的入射角的要求越小，可使設(shè)計(jì)簡化。

投影系統(tǒng)由球面或者非球面鏡片組合構(gòu)成，為了保證整個(gè)系統(tǒng)的顯示效果及佩戴舒適性，投影系統(tǒng)可以共軸也可以是離軸的。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明顯示棱鏡的第一光學(xué)工作面和第三光學(xué)工作面相互平行放置，使得外部環(huán)境光線透過顯示棱鏡到達(dá)人眼時(shí)幾乎不產(chǎn)生像差，將本發(fā)明的顯示棱鏡應(yīng)用于增強(qiáng)顯示光學(xué)系統(tǒng)中時(shí)，不需要額外增加補(bǔ)償棱鏡，便于生產(chǎn)加工以及后期的裝調(diào)；

(2)通過第二光學(xué)工作面和第三光學(xué)工作面聯(lián)合作用，改變了光路，增大了視場角；并且第三光學(xué)工作面上的微結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改變了光路，進(jìn)一步增大了視場角；本發(fā)明的顯示棱鏡的對(duì)角視場為70度左右，可以將等比例的虛擬信息完整地疊加到真實(shí)場景，提高用戶的沉浸感；

(3)本發(fā)明的顯示棱鏡出瞳大，可達(dá)到10mm，可以給用戶提供足夠大的眼動(dòng)范圍。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的大視場角增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的光學(xué)系統(tǒng)表征虛擬信息的圖像光線的光路圖；

圖2為本發(fā)明的大視場角增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的光學(xué)系統(tǒng)的外部環(huán)境光線的光路圖。

附圖中：1、微顯示器；2、第一投影系統(tǒng)鏡片；3、第二投影系統(tǒng)鏡片；4、第一光學(xué)工作面；5、第二光學(xué)工作面；6、第三光學(xué)工作面；7、人眼位置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

本發(fā)明實(shí)施例中的坐標(biāo)系規(guī)定為：水平向右為z軸方向，垂直z軸向上為y軸方向，垂直yoz平面紙面向里為x軸方向的右手坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于人眼位置中心。

如圖1所示，本實(shí)施例的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)包括：微顯示器1、第一投影系統(tǒng)鏡片2、第二投影系統(tǒng)鏡片3、顯示棱鏡。顯示棱鏡具有三個(gè)光學(xué)工作面，分別為第一光學(xué)工作面4、第二光學(xué)工作面5、第三光學(xué)工作面6。

如圖1所示，微顯示器1發(fā)出的表征虛擬信息的圖像光線經(jīng)第一投影系統(tǒng)鏡片2和第二投影系統(tǒng)鏡片3折射后，由顯示棱鏡第一光學(xué)工作面4透射進(jìn)入顯示棱鏡，折射光線經(jīng)過第二光學(xué)工作面5反射后再次到達(dá)第一光學(xué)工作面4并滿足全反射條件，全反射光線入射到具有微結(jié)構(gòu)和半透半反膜的第三光學(xué)工作面6上，反射后再從第一光學(xué)工作面4透射至人眼7；如圖2所示，外部環(huán)境光線從第三光學(xué)工作面6透射進(jìn)入顯示棱鏡，經(jīng)第一光學(xué)工作面4透射至人眼。

第一光學(xué)工作面既是透射面又是反射面，表征虛擬信息的圖像光線由第二光學(xué)工作面反射后第一次經(jīng)過第一光學(xué)工作面時(shí)發(fā)生全反射，第二次經(jīng)過第一光學(xué)工作面時(shí)發(fā)生透射，圖像光線在第一光學(xué)工作面上發(fā)生全反射和透射時(shí)分別滿足：

其中，θ1為圖像光線在第一光學(xué)工作面上發(fā)生全反射時(shí)入射角；θ2為圖像光線在第一光學(xué)工作面上發(fā)生透射時(shí)入射角；n為顯示棱鏡材料的折射率。

第三光學(xué)工作面6上的微結(jié)構(gòu)為菲涅爾紋理結(jié)構(gòu)，菲涅爾紋理結(jié)構(gòu)的凹槽內(nèi)鍍半透半反膜后用相同折射率的材料填平。

第一投影系統(tǒng)鏡片2、第二投影系統(tǒng)鏡片3和顯示棱鏡的面型數(shù)據(jù)如表1所示。

表1顯示棱鏡及投影系統(tǒng)面型數(shù)據(jù)(r＝1/c)

本實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)具有以下光學(xué)特性：該光學(xué)系統(tǒng)的出瞳直徑為10mm，可以給用戶提供足夠大的眼動(dòng)范圍；對(duì)角視場為67度，可以將等比例的虛擬信息完整地疊加到真實(shí)場景，提高用戶的沉浸感。

以上所述的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充和等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。