本實用新型涉及顯示設備技術領域，更具體地說，是涉及一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置。

背景技術：

隨著VR(虛擬現實)以及AR(增強現實)顯示技術在娛樂、醫療、工業、和軍事領域的快速發展及普及，波導式的頭戴顯示器由于其光學波導片較薄(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，獲得了行業的廣泛青睞并將成為未來較長時間的一個發展方向。

目前，現有頭戴顯示器主流的波導技術主要分為全息波導和半透膜陣列波導兩類。

其中，全息波導式的頭戴顯示器，其基本結構的特征為：其采用至少一片反射式的全息光柵(閃耀光柵)將光束偏轉一個角度并反射進波導片中，在波導片內進行多次全反射傳輸，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。如附圖1所示，其波導片13外側的左右兩邊粘合了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的出瞳光束進行一個角度的反射偏轉，偏轉后的反射光進入到波導片13的內部，隨后在波導片13內外兩側壁13a和13b之間進行多次全反射，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相反的方向進行一個角度的反射偏轉，最后光束沿著垂直于波導片的方向進入到人眼并在正前方的遠處形成一個顯示器中放大的虛像。

該結構具有厚度薄、重量輕的特點。但系統光能利用率比較低，對光柵的精度要求比較高，衍射引入的雜光和色散比較嚴重而且矯正方法復雜，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片、以及在波導片兩端放置上下兩組全息光柵的組合才能達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頭戴式顯示器的光學裝置的結構，其由上下兩片波導片組成。下方的波導片只反射和傳輸綠光，下方波導片左右兩端的全息光柵只反射和偏轉綠光，同時透過紅藍光。而上方的波導片傳輸紅藍光，上方波導片左右兩端的全息光柵反射和偏轉紅藍光。上方波導片的紅藍光束，及下方波導片的綠色光束，通過左側位于眼睛前面的兩組全息光柵反射和偏轉之后重新組合在一起，才能形成一個全彩的圖案。

雙片式波導頭戴式顯示器的主要缺陷為：

1.在這個結構中，顏色是分開傳導的，也就是上方一片和下方一片波導片傳導不同顏色的光，到眼睛前面再通過2塊光柵會聚到一起。容易造成的不良問題是：上下兩片波導存在2個波導厚度的光程差，將2種顏色的光疊加在一起，像面容易造成紅藍分開的色差。

2.左右需要4片全息光柵，生產效率低下，品質良率控制難，造成制作成本高，不利于大批量的生產與應用。

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，生產品質一致性控制難。

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

另一種，現有波導式頭戴顯示器的另一種技術方案為半透膜陣列波導式的頭戴顯示器技術，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。其中，公布號為US20080025667所述的半透膜陣列波導式頭戴顯示器，其光學裝置中的光學波導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傾斜地內嵌于基底構成；顯示屏幕片放置于波導片的右側，目鏡系統位于微顯示屏和傾斜棱鏡66之間，其出瞳平面位于垂直擴展波導內部；微顯示屏的線視場分布的發散光通過目鏡系統后變為角視場分布的平行光，各角視場平行光先后經過平面72耦合到傾斜棱鏡66中，經過第一全反射面68的全反射之后，平行光束耦合進光學波導片20中，并在波導片內部進行多次全反射，最后通過半透膜陣列波的反射偏轉，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式的頭戴顯示器光學裝置，其波導技術利用傾斜地內嵌于波導基底內的半透膜陣列22的折射和反射實現了目鏡出瞳的擴展。與上述索尼提出的圖1和圖2的采用全息光柵的波導技術相比，由于沒有光柵的衍射形成色差，其色散小，容易實現彩色圖像顯示。但是該項技術對于半透膜陣列22的間距、以及半透膜傾斜角度的要求也非常嚴格。由于進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導致圖像的重影、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，由于波導片由等間距或者變間距排布的半透膜傾斜地內嵌于基底構成，其半透膜陣列的排列需要非常精準的位置度及面型精密性，由于其及制作工藝復雜，成品效率不高等因素，其技術方案也不利于大批量的生產與應用。

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構陣列的波導式頭戴顯示器技術，其靠近顯示屏幕片的耦合輸入面220的反射面結構為一維陣列，所述的反射面結構，其由等間隔的斜面和平面構成。另一端靠近人眼的耦合輸出面210，則為二維的反射面結構陣列，其由一顆顆小的棱鏡狀的反射面結構，錯開一定距離、等間隔排列而成。微棱鏡的形狀也是由斜面和平面構成。一方面，耦合輸出端210的微棱鏡中的平面可以讓波導片外側的光直接穿過，人眼可以直接看到波導片外側的場景，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來、并在波導片中全反射多次的光線，進行全反射并耦合輸出到人眼，在人眼的正前方形成一個虛像。從而形成真實場景與虛擬場景疊加的增強現實的效果。

但是這種波導技術有明顯的技術缺陷：

其一，耦合輸入端的反射面結構220，其由等間隔的斜面和平面構成，反射面結構上的平面部分由于不能反射從顯示屏幕片發出的光線、無法將完整的光線偏轉并在波導片內部多次全反射傳導到右邊的耦合輸出端，導致傳導到人眼的圖像部分丟失。其相當于在顯示屏幕片上設置了一個黑白相間的視場光闌，這種結構會導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構210，由于其為二維的反射面結構陣列，其由一顆顆小的棱鏡狀的反射面結構、隔開一定距離、等間隔、錯開排列而成。這些反射面結構之間的空隙為平面，如其專利中所描述的，從波導片左邊耦合輸入并全反射從顯示屏發出的光線，部分光線入射到這些反射面結構之間空隙平面上，經平面反射后還會繼續在波導片內全反射到下一個位置，其至少再經過兩次的全反射或多次的全反射，直到碰到下一個反射面結構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構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。這種結構相當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的距離在另外一個位置才能看到，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構陣列的耦合輸出面210，其比較容易會形成重影和雜光，導致人眼看到的顯示屏幕片上的圖像是模糊不清。

其三，根據US8189263專利圖示的結構，結合耦合輸入端的反射面結構220和耦合輸出端的反射面結構210，因耦合輸入端是由等間隔斜面和平面組成的反射面結構，導致無法完整傳導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構陣列、呈等間隔排列，這些分立的反射面結構之間的由平面相連，導致耦合輸出端的圖像光線無法有序傳導到人體眼鏡中。結合兩者組成的整體光傳導方案，其明顯存在部分光線傳導丟失及圖像分辨率低的技術缺陷，導致使用者無法完整看清楚顯示屏上的影像。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于克服現有技術中的上述缺陷，提供一種采用鋸齒形V槽狀的微結構陣列進行反射偏轉的新波導技術的波導式的頭戴顯示器的光學裝置。

為實現上述目的，本實用新型提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，包括顯示裝置和光學波導片，所述光學波導片靠近耳朵一側的側端部位設有用于將顯示裝置輸出的圖像光線輸入到光學波導片內部的光線耦合輸入結構，所述光線耦合輸入結構與顯示裝置相對設置，所述光學波導片的外側面和內側面分別設有互相反射從而將經過光線耦合輸入結構輸入的圖像光線進行至少一次全反射傳輸的光學反射面，所述光學波導片的外側面正對人眼區域的位置設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槽狀的第一微結構陣列面，所述光學波導片的內側面正對人眼區域的位置設有輸出面，其中，所述第一微結構陣列面具有至少兩個依次設置的鋸齒，相鄰兩個鋸齒之間設有由兩個斜面構成的V形槽，并且其中一個斜面設置為光線反射斜面，所述第一微結構陣列面的每個V形槽中的光線反射斜面依次將光學波導片內側面的光學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行一個特定角度的反射偏轉從而使其從輸出面輸出，以最終輸出完整圖像。

為實現上述目的，本實用新型提供了另一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，包括顯示裝置和光學波導片，所述光學波導片靠近耳朵一側的側端部位設有用于將顯示裝置輸出的圖像光線輸入到光學波導片內部的光線耦合輸入結構，所述光線耦合輸入結構與顯示裝置相對設置，在所述光學波導片的外側面和內側面中，至少在其外側面設有將經過光線耦合輸入結構輸入的圖像光線進行至少一次全反射傳輸的光學反射面，所述光學波導片的內側面正對人眼區域的位置設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槽狀的第一微結構陣列面，其中，所述第一微結構陣列面具有至少兩個依次設置的鋸齒，相鄰兩個鋸齒之間設有由兩個斜面構成的V形槽，并且其中一個斜面設置為光線反射斜面，所述第一微結構陣列面的每個V形槽中的光線反射斜面依次將光學波導片外側面的光學反射面反射過來且穿過第一微結構陣列面的同一V形槽的另一斜面出射到空氣介質中的圖像光線以單次反射并以相反的方向進行一個特定角度的反射偏轉從而輸出完整圖像。

為實現上述目的，本實用新型提供了另一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，包括顯示裝置和光學波導片，其特征在于：所述光學波導片靠近耳朵一側的側端部位設有用于將顯示裝置輸出的圖像光線輸入到光學波導片內部的光線耦合輸入結構，所述光線耦合輸入結構與顯示裝置相對設置，在所述光學波導片的外側面和內側面中，至少在其外側面設有將經過光線耦合輸入結構輸入的圖像光線進行至少一次全反射傳輸的光學反射面，所述光學波導片的內側面正對人眼區域的位置設有鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面，所述第一微結構陣列面的外側設有補償片，所述補償片朝向光學波導片的第一微結構陣列面的內側面上設有第四微結構陣列面，其中，所述第一微結構陣列面和第四微結構陣列面分別具有至少兩個依次設置的鋸齒，所述第一微結構陣列面的相鄰兩個鋸齒之間設有由兩個斜面構成的V形槽，所述第四微結構陣列面的鋸齒形狀與第一微結構陣列面的鋸齒形狀相適配，所述第四微結構陣列面的鋸齒由另外兩個斜面構成，所述第一微結構陣列面與第四微結構陣列面間隔設置形成有折射率低于補償片的空氣隙，所述光學波導片外側面的光學反射面反射過來的圖像光線依次穿過第一微結構陣列面的V形槽的一斜面、空氣隙和第四微結構陣列面的鋸齒的一斜面后在第四微結構陣列面的同一鋸齒的另一斜面上全反射偏轉從而輸出完整圖像。

與現有技術相比，本實用新型的有益效果在于：

1、本實用新型提出了一種采用鋸齒形V槽狀微結構陣列進行反射偏轉的新的波導技術，采用鋸齒形V槽狀的微結構陣列代替現有波導技術中的全息光柵片、半透膜陣列以及一維和二維反射面結構陣列，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構陣列由于顯示器的像素部分丟失和分辨率降低從而導致無法完整看清楚顯示屏上的影像的問題。

2、本實用新型的鋸齒形V槽狀的微結構陣列能夠將傳輸過來的光線進行一個特定角度的反射偏轉，偏轉后的光線透過光學波導片輸出，最后進入人眼中，在人眼正前方遠處呈現一個放大的虛像，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，其依次將傳導圖像的光束反射輸出至人眼中，鋸齒之間不會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被打亂。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或者現有技術中的技術方案，下面將對實施例或者現有技術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用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據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的波導式頭戴顯示器的光學裝置；

圖2是索尼公司提出的基于紅綠藍三色光的全息波導式頭戴顯示器的光學裝置；

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

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構陣列的波導式頭戴顯示器技術；

圖5是本實用新型實施例一提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置整體結構示意圖；

圖6是本實用新型實施例一提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的局部結構俯視圖；

圖7是本實用新型實施例一提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的局部結構后視圖；

圖8是本實用新型實施例一提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的等軸側視圖；

圖9是本實用新型實施例一提供的第一微結構陣列面的放大圖；

圖10是本實用新型實施例一提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置從顯示屏幕片中心O點出發的主光線的光路圖；

圖11是本實用新型實施例一提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖12是本實用新型實施例一提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的MTF曲線圖；

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

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

圖15是本實用新型實施例二提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖16是本實用新型實施例三提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖17是本實用新型實施例四提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖18是本實用新型實施例五提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖19是本實用新型實施例六提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖20是本實用新型實施例七提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖21是本實用新型實施例八提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖22是本實用新型實施例九提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖23是本實用新型實施例十提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖24是本實用新型實施例十一提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖25是圖24中C部位的放大圖；

圖26是本實用新型實施例十二提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖27是圖26中C部位的放大圖；

圖28是本實用新型實施例十三提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖29是本實用新型實施例十四提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖30是本實用新型實施例十五提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖31是本實用新型實施例十六提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖32是本實用新型實施例十七提供的另一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖33是本實用新型實施例十八提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖34是本實用新型實施例十九提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖35是本實用新型實施例二十提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖36是本實用新型實施例二十一提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖37是圖36中E部位的放大圖；

圖38是本實用新型實施例二十二提供的一種頭戴式顯示器的光學裝置的光路圖；

圖39是圖38中F部位的放大圖。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

實施例一

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

其中，顯示裝置可以設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，這里優選為2/3”的顯示器，其可以為OLED顯示器(有機發光顯示屏)、LCD(液晶顯示屏)以及其他的LCOS(硅基液晶顯示屏)。

光學波導片3靠近耳朵一側的側端部位設有用于將顯示屏幕片1輸出的圖像光線輸入到光學波導片3內部的光線耦合輸入結構，光學波導片3的外側面設有光學反射面33，光學波導片3的內側面設有光學反射面34，兩個光學反射面能夠互相配合反射光線，從而將經過光線耦合輸入結構輸入的圖像光線進行至少一次全反射傳輸，光學波導片3的外側面正對人眼區域的位置設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槽狀的第一微結構陣列面35，光學波導片3的內側面正對人眼區域的位置設有輸出面36。

光學波導片3內側面的光學反射面34與光學波導片外側面的光學反射面33可以平行設置或者非平行設置。兩光學反射面可以分別設置為平面、帶有弧度的曲面或者自由曲面。在本實施例中，光學反射面33與光學反射面34優選設置為平行平面。

具體的，在本實施例中，光線耦合輸入結構包括設置在光學波導片3靠近耳朵一側的側端部位的耦合輸入部30、設置在耦合輸入部30末端的耦合輸入面31和用于對從耦合輸入面31輸入的圖像光線進行全反射偏轉使其偏轉進入到光學波導片3外側面的光學反射面33的第一全反射面32，第一全反射面32設置在耦合輸入部30的側面(即外側較陡位置)并與光學波導片3的外側面傾斜設置，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可以設置為平面或者曲面。在本實施例中，第一全反射面32優選設置為平面。

輸出面36可以設置為凸出的帶有光焦度的非球面、球面或者菲涅爾面。在本實施例中，輸出面36優選設置為凸出的非球面。

如圖9和圖10所示，第一微結構陣列面35具有至少兩個依次設置的鋸齒351，相鄰兩個鋸齒之間設有由斜面353和斜面354構成的V形槽352，斜面353鍍有反射膜，從而形成光線反射斜面，第一微結構陣列面35的每個V形槽352中的光線反射斜面依次將光學波導片3內側面的光學反射面34反射過來的圖像光線以單次反射并以相反的方向進行一個特定角度的反射偏轉從而使其從輸出面36輸出，以最終輸出完整圖像。

第一微結構陣列面35的所有鋸齒組成一個等間距或者漸變間距的傾斜鋸齒結構，每個鋸齒的間距介于20～200微米之間。本實施方案優選該微結構陣列面為等間距的傾斜鋸齒形微結構陣列面，優選該鋸齒間距為50微米。由于第一微結構陣列面35鍍有反射膜，這時人眼看不到波導片外側的真實場景的圖像，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，可以實現虛擬現實的功能。

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

本實施例一所述波導式的頭戴顯示器的光學裝置，從顯示屏幕片的中心O點出發的主光線的光路圖如圖10所示。假設OP為經過顯示屏幕片中心O點的光軸、TU為經過人眼瞳的垂直光軸，OP同時為經過顯示屏幕片中心的主光線，其經過光學波導片3的第一全反射面32的反射，反射之后的光線進入到光學波導片3內部，并在光學反射面33與光學反射面34之間進行至少一次全反射，反射光線分別為PQ、QR及RS，最后入射到鋸齒形V槽狀的微結構陣列面35上，經反射后主光線偏轉一個角度，最后以SU的方向射向人眼。假設第一全反射面32的中心點切面與顯示屏幕片的中心光軸OP的夾角為θ，第一微結構陣列面35的V形槽中的光線反射斜面353與經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依次經過第一全反射面32和光學反射面33、34的反射后最終射入到第一微結構陣列面35的V形槽中的光線反射斜面353上的反射光線RS與經過人眼瞳的垂直光軸TU的夾角為β，那么存在以下的關系：β＝2θ；α＝π/2-θ。

根據第一全反射面32中心點切面與光軸OP的夾角θ，可以設計出鋸齒形V槽狀的微結構陣列面35。其中可以選擇θ在15°～40°之間，這里優選其為33°。

圖11為具體實施例一所述波導式的頭戴顯示器的光學裝置在成像設計軟件中的光路圖，其中眼瞳為該光學系統的出瞳位置，這里優選其直徑為5mm。眼瞳與光學波導片3的距離在15～18mm之間，本具體實施方案優選該距離為16.8mm。

其原理為：靠近眼鏡架耳朵一側位置的顯示屏幕片，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波導片的耦合輸入面31中，經過第一全反射面32的反射轉折之后，光線進入到光學波導片3中并在光學反射面33、34之間進行全反射，最后圖像傳輸到光學波導片3的外側面正對人眼的鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面35上，鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面35再將傳輸過來的光線，進行一個特定角度相反方向的反射偏轉，偏轉后的光線沿著垂直于光學波導片內側面的方向、從輸出面36輸出，最后進入到人眼的瞳孔中，在人眼正前方的遠處形成一個放大的圖像。其中，光線在第一微結構陣列面35上的反射僅僅是一次反射，其反射的光線是有序的，其依次將傳導圖像的光束反射輸出至人眼中，鋸齒之間不會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被打亂。

所述顯示屏幕片優選其對角線尺寸為2/3”，在成像設計過程采用了像圓直徑為18mm。

圖12為本具體實施例一所述波導式的頭戴顯示器的光學裝置的MTF曲線，在30線對時，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，將本具體實施例一所述波導式的頭戴顯示器的光學裝置的三維模型放入到光度分析軟件中進行光線追跡和光度分析。其中將顯示屏幕片設置為帶有輻射狀條紋的發光面，假設其光通量為10流明。同時將波導片外側的鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面35設置為鏡面反射。并且設置一個等效透鏡來模擬人眼光學系統，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。

實施例二

本實用新型的實施例二提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，是在實施例一的基礎上做出的改進，除了實現虛擬現實的功能之外，其還可以實現增強現實的功能。請參考圖15，光學波導片3的鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面35的V形槽的斜面鍍有部分反射膜或者半反半透膜，緊貼著第一微結構陣列面35的外側還設置有一個補償鏡4，補償鏡4朝向光學波導片3的第一微結構陣列面35的內側面上設有鋸齒形V槽狀的第三微結構陣列面41，第三微結構陣列面41也具有至少兩個依次設置的鋸齒，相鄰兩個鋸齒之間設有由兩個斜面構成的V形槽，補償鏡4的第三微結構陣列面41的鋸齒形狀與光學波導片3的第一微結構陣列面35的鋸齒形狀完全鏡像，第三微結構陣列面41的V形槽的斜面上設有增透膜。

當補償鏡4與光學波導片3緊貼在一起時，從光學波導片3外側的遠處真實場景的光線，先通過位于補償鏡4的第三微結構陣列面41進行折射，折射后的光線再通過位于光學波導片3的第一微結構陣列面35再次折射，由于兩個微結構陣列面的鋸齒形狀完全鏡像，兩個微結構陣列面的折射角度正好完全補償，從外側場景入射到補償鏡4中的光線的光路沿原路直線向前，沒有被偏轉，再通過位于光學波導片3的輸出面36，入射到眼睛，從而可以看到光學波導片3外側的遠處的真實場景。

該具體實施方案除了采用補償鏡4可以看到波導片外側的遠處的真實場景之外。其余部分與實施例一相同，其還可以同時看到顯示屏幕片上放大的圖像。靠近眼鏡架耳朵一側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波導片的耦合輸入面31中，經過第一全反射面32的反射轉折之后，輸入光線進入到光學波導片3中并在光學反射面33、34之間進行全反射，最后圖像傳輸到光學波導片外側面正對人眼的鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面35上。由于第一微結構陣列面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，進行一個特定角度的部分反射偏轉，偏轉后的光線沿著垂直于光學波導片內側面的方向、從輸出面36輸出，最后進入到人眼的瞳孔中，在垂直于光學波導片的正前方遠處形成一個放大的圖像。所以人眼看到的圖像是真實場景和顯示屏幕片中的圖像的疊加，其將虛擬的計算機中的畫面，疊加到現實的真實場景中，實現增強現實的功能。

實施例三

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

當視場要求比較小、成像較小時，可以設計焦距比較長的系統，目鏡組可以少用一些鏡片，甚至不用目鏡組，另外，光學波導片的光學反射面的反射次數也可以少一些。如圖16所示，本實施例所述的波導式的頭戴顯示器的光學裝置為焦距比較長、視角比較小的系統，其取消了成像目鏡組，另外光線在光學波導片內部的反射次數也比上述實施例一和實施例二少了一次。

本具體實施方案為直投式的波導頭戴顯示器光學方案，其由顯示屏幕片1和光學波導片300組成。光學波導片300的光線耦合輸入結構包括設置在光學波導片300靠近耳朵一側的側端部位的耦合輸入部320和設置在耦合輸入部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過耦合輸入面321后直接投射到光學波導片外側面的光學反射面322。

在本實施例中，光學波導片300不設置第一全反射面，其對著顯示屏幕片1的位置設置有一個耦合輸入面321，其可以為平面或者弧面，這里優選其為平面。光學波導片320的外側和內側分別設置有完全平行的光學反射面322和323，其可以為平面，也可以為弧面，本具體實施方案優選該兩個光學反射面為平面。光學波導片300的外側正對人眼的位置設置有鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面324，其上鍍有反射膜。

本具體實施方案的工作原理為：從顯示屏幕片發出的光經過光學波導片的耦合輸入面321先耦合到光學波導片300中，直接入射到光學波導片內外兩側的光學反射面322和323之間，經過光學反射面322和323的兩次全反射之后，反射光線入射到鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面324上，第一微結構陣列面324將入射光線往相反方向進行一個角度的反射偏轉，反射光線沿著垂直于光學波導片的方向，從輸出面325輸出，進入到人眼中，從而在人眼的正前方的遠處呈一個放大的虛像。

實施例四

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

本實用新型的實施例四提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，如圖17所示，具體實施方案四將光學波導片420靠近顯示屏幕片的耦合輸入面421設置為非球面，其耦合輸入面421的外側設置了第一全反射面422。另外，光學波導片420的外側和內側分別設置有完全平行的光學反射面423和424，其可以為平面，也可以為弧面，本具體實施方案優選該兩個光學反射面為平面。所述光學波導片420的外側面正對人眼的位置設置有鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面425，其上鍍有反射膜。

本具體實施方案的工作原理為：從顯示屏幕片發出的光經過光學波導片的耦合輸入面421先進行會聚，并入射到光學波導片的第一全反射面422上，經過反射后光束進入到光學波導片內外兩側的光學反射面423和424之間，經過光學反射面423和424的兩次全反射之后，光束入射到鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面425上，第一微結構陣列面425將入射光束往相反方向進行一個角度的反射偏轉，最后反射光束沿著垂直于光學波導片的方向，從輸出面426輸出，進入到人眼中，從而在人眼的正前方的遠處呈一個放大的虛像。

實施例五

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

本具體實施方案的工作原理為：從顯示屏幕片1發出的光，通過目鏡組52(由透鏡521、522和523組成)進行會聚，會聚成基本上平行的光束，會聚后的光束經過光學波導片530的耦合輸入面531，直接入射到光學波導片內外兩側的光學反射面532和533之間，經過光學反射面532和533的兩次全反射之后，反射光束入射到鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面534上，第一微結構陣列面534將入射光束往相反的方向進行一個角度的反射偏轉，最后反射光束沿著垂直于光學波導片530的方向，從經光學波導片530的輸出面輸出，進入到人眼中，從而在人眼的正前方的遠處呈一個放大的虛像。

實施例六

本實用新型的實施例六提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，其光學波導片中靠近成像目鏡組的第一全反射面可以設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入到光學波導片的外側和內側完全平行的光學反射面之間，其還承擔了一定的光焦度，其可以減少成像目鏡組中的鏡片的數量，譬如將三片減為兩片，同時光學波導片的內側面靠近眼瞳的位置的輸出面不需要設置為帶有光焦度的凸起的非球面。

如圖19所示，在本實施例中，該波導式的頭戴顯示器的光學裝置的成像目鏡組62采用兩片式的結構，分別為透鏡621和622，另外光學波導片630靠近成像目鏡組的第一全反射面632設置成自由曲面全反射面，其除了將從成像目鏡組62入射過來的光束導入到光學波導片630的外側和內側完全平行的光學反射面633和634之間外，其還承擔了一定的光焦度，將圖像進行放大。此外，光學波導片的內側面靠近眼瞳的位置不設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，輸出面與光學波導片的內側面相重合。第一全反射面632為自由曲面全反射面，其傾斜角達到全反射的條件，其可以為超環面、XY方向曲率半徑不同的離軸二次曲面或者多項式曲面。本具體實施方案優選其為雙錐系數曲線，其X和Y方向的曲率半徑和錐度系數不同。

本具體實施方案的工作原理為：從顯示屏幕片1發出的光，通過成像目鏡組62進行會聚，會聚后的光束經過光學波導片的耦合輸入面631，入射到第一全反射面632上，第一全反射面632將光線進一步會聚，并將光束進行全反射偏轉，輸入到光學波導片內外兩側的光學反射面633和634之間。光束在波導片中傳輸，并經過光學反射面633和634的兩次全反射之后，入射到鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面635上，第一微結構陣列面635將入射光束往相反方向進行一個角度的反射偏轉，最后反射光束沿著垂直于光學波導片的方向，經光學波導片630的輸出面輸出，進入到人眼中，從而在人眼的正前方的遠處呈一個放大的虛像。

實施例七

本實用新型的實施例七提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，其光學波導片可以與透鏡組相結合，形成可以變焦的頭戴顯示器。如圖20所示，在實施例一的基礎上，本實施例的波導式的頭戴顯示器的光學裝置在顯示屏幕片1和光學波導片830的耦合輸入面831之間改為設置兩組透鏡，其中一組為補償透鏡組81，另一組為變倍透鏡組82。另外，在眼瞳與光學波導片的輸出面836之間放置了一組鏡片，其為前固定透鏡組84。當變倍透鏡組82、補償透鏡組81沿著光軸方向按虛線箭頭所示的規律呈非線性速率的移動時，可以實現光學系統焦距長短的變化，從而實現顯示圖像大小的變化。

所述前固定透鏡組84優選由兩片透鏡組成，其也可以只有一片透鏡，根據具體情況設置。所述變倍透鏡組82和補償透鏡組81在本具體實施方案中優選只有一片鏡組成，其也可以為兩片以上的透鏡，根據分辨率、視場角和變焦倍數來確定。

實施例八

本實用新型的實施例八提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，其光學波導片可以與負透鏡組合，以適用于近視的人群。如圖21所示，該波導式的頭戴顯示器的光學裝置在光學波導片920可以采用上述實施例所述的光學波導片的結構，光學波導片920內側面的輸出面926與眼瞳之間設置了一個負透鏡93，其用于矯正近視眼使用者的視力，具體負透鏡的焦距可以根據使用者的近視度數來調整，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。

實施例九

本實用新型的實施例九提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，其光學波導片可以與正透鏡鏡組合，以適用于老花的人群。如圖22所示，該波導式的頭戴顯示器的光學裝置在光學波導片1000可以采用上述實施例所述的光學波導片的結構，光學波導片1000內側面的輸出面1006與眼瞳之間設置了一個正透鏡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使用者的老花度數來調整，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。

實施例十

本實用新型的實施例十提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，其光學波導片除了正對眼瞳的外側面設置有鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面之外，其靠近顯示屏幕片一邊的外側面也可以設置有鋸齒形V槽狀的第二微結構陣列面。

如圖23所示，光學波導片73的光線耦合輸入結構包括設置在光學波導片73的內側面且靠近耳朵一側的耦合輸入面和設置在光學波導片的外側面且靠近耳朵一側的鋸齒形V槽狀的第二微結構陣列面732，第二微結構陣列面732具有至少兩個依次設置的鋸齒，相鄰兩個鋸齒之間設有由兩個斜面構成的V形槽，并且其中一個斜面設置為光線反射斜面。第二微結構陣列面和耦合輸入面正對著顯示屏幕片1，第二微結構陣列面732的每個V形槽的光線反射斜面依次將顯示屏幕片1射入到光學波導片內的圖像光線反射偏轉進入到光學波導片內側面的光學反射面731。

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

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

實施例十一

本實用新型的實施例十一提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，與上述實施例不同的是，在光學波導片中，其用于反射和偏轉光線的鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面位于光學波導片的內側面且靠近眼瞳的區域。

如圖24所示，該波導式的頭戴顯示器的光學裝置由顯示屏幕片1、光學波導片1120組成。所述光學波導片1120靠近耳朵一側的側端部位設有用于將顯示裝置輸出的圖像光線輸入到光學波導片內部的光線耦合輸入結構，在光學波導1120片的外側面和內側面中，至少在其外側面設有將經過光線耦合輸入結構輸入的圖像光線進行至少一次全反射傳輸的光學反射面1123，光學波導片1120的內側面正對人眼區域的位置設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槽狀的第一微結構陣列面1125。

所述光線耦合輸入結構包括設置在光學波導片靠近耳朵一側的側端部位的耦合輸入部、設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行全反射偏轉使其偏轉進入到光學波導片外側面的光學反射面的第一全反射面1122，第一全反射面1122設置在耦合輸入部的側面并與光學波導片1120的外側面傾斜設置，耦合輸入面1121正對著顯示屏幕片1。

在本實施例中，耦合輸入面1121優選設置為一個非球面耦合輸入面，當然也可以為平面、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優選設置為直角棱鏡式第一全反射面，當然也可以為平面、自由曲面、超環面、X和Y方向的曲率半徑不同的離軸二次曲面、多項式曲面或者X和Y方向的曲率半徑及錐度系數均不同的雙錐系數曲面。

第一微結構陣列面1125的局部放大圖C如圖25所示，第一微結構陣列面1125具有至少兩個依次設置的鋸齒，相鄰兩個鋸齒之間設有倒置的V形槽，所述V形槽由斜面1125a和1125b構成，斜面1125b垂直于在光學波導片中全反射過來的光線RP，其上方沒有鍍反射膜，光線RP經過斜面1125b折射之后，沿原路出射到空氣介質中，并入射到另一側斜面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顯示屏幕片中放大的虛像。假設光線RP與經過眼瞳的光軸OO’的夾角為b，斜面1125a與經過眼瞳的光軸OO’的夾角為a，那么a與b的關系為：a＝b/2。

在光學波導片1120中，光線束在其光學反射面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，本具體實施方案將光學波導片的左右長度縮短，使得光線束在其光學反射面1123和1124之間的全反射只為一次全反射。

實施例十二

本實用新型的實施例十二提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，其除了實現將光學波導片內傳輸的光線反射和偏轉至人眼之外，還可以實現部分透射的功能，其同時將光學波導片外側的真實場景透過光學波導片導入到眼瞳中。人眼同時可以看到顯示屏幕片中的虛擬圖像和正前方的真實場景，實現增強現實的功能。

如圖26所示，所述光學波導片1220設有一個非球面耦合輸入面1221、第一全反射面1222、位于光學波導片內外側的光學反射面1224和1223、以及鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面1225。

圖27為局部圖D的放大圖，與上述實施例十一不同的是，所述第一微結構陣列面1225中相鄰兩個V形槽之間的鋸齒端部設有對光學波導片內全反射傳輸的圖像光線沒有反射作用且能夠透射光學波導片外側的真實場景的平面1225c，從而使第一微結構陣列面1225形成部分反射及部分透射的混合微結構陣列面。所述V形槽的斜面1225b垂直于在光學波導片中全反射過來的光線RP，其上方沒有鍍反射膜。光線RP經過斜面1225b折射之后，沿原路出射到空氣介質中，并入射到另一側斜面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’為經過相鄰鋸齒形微結構頂點E的邊緣光線，經過斜面1225b之后，其也入射到另一側斜面1225a上的P’點，因此沒有入射到平面1225c上，即平面1225c對波導片內全反射傳輸的光線沒有反射作用，因此本實施例與圖4所示的現有實施方案，其反射面結構之間的空隙為平面的波導技術為不同的實施方案。圖4所示的現有實施方案，其反射面結構之間的空隙為平面的位置對光學波導片內傳輸的光線具有反射作用，對最后輸出的圖像產生干擾。

除了第一微結構陣列面1225的斜面對光學波導片內傳播的光束進行序列的反射偏轉，將顯示屏幕片1中的圖像成像于人眼正前方的遠處之外，另一方面，從光學波導片外側入射的光線TT’則可以經過平面1225c直接穿過光學波導片進入到眼瞳中，人眼同時也可以看到光學波導片外側的真實場景。因此本具體實施方案所述波導式的頭戴顯示技術可以實現增強現實的功能。

實施例十三

本實用新型的實施例十三提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，與上述實施例十一不同的是，當其焦距較長，顯示的圖像較小時，這時可以使用直投式的波導頭戴顯示器光學方案。如圖28所示，光學波導片的光線耦合輸入結構包括設置在光學波導片靠近耳朵一側的側端部位的耦合輸入部和設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過耦合輸入面1521后直接投射到光學波導片外側面的光學反射面1522。

圖28中，每個V形槽的鋸齒由左右兩個斜面構成，左側的斜面鍍有反射膜，其與經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。右側的斜面則垂直于入射光線。所述第一微結構陣列面1524的原理與具體實施方案十一所述的一致。

實施例十四

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

如圖29所示，所述第一微結構陣列面1624除了實現將光學波導片內傳輸的光線反射和偏轉至人眼之外，還可以實現部分透射的功能，其同時將波導片外側的真實場景透過波導片，導入到眼瞳中。人眼同時可以看到顯示屏幕片1中的虛擬圖像和正前方的真實場景，實現增強現實的功能。所述鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面1624的原理與具體實施方案十二所述的一致。

實施例十五

本實用新型的實施例十五提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，所述光學波導片的鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面可以位于光學波導片的內側面、靠近眼瞳的區域。當其焦距較長，顯示的圖像較小時，可以采用直投式的波導頭戴顯示器光學方案，其光學波導片也可以結合變焦透鏡組實現光學變焦的顯示。如圖30所示，在上述實施例十三的基礎上，所述顯示屏幕片1與光學波導片1740的光線耦合輸入結構之間依次設有補償透鏡組172和變倍透鏡組173，在光學波導片1740的第一微結構陣列面1744和眼瞳之間設置有前固定透鏡組175。當補償透鏡組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律呈非線性速率的移動時，可以實現光學系統焦距長短的變化，從而實現顯示圖像大小的變化。

所述前固定透鏡組175可以優選由兩片透鏡組成，其也可以只有一片透鏡，根據具體情況設置。所述補償透鏡組172和變倍透鏡組173優選只由一片透鏡組成，其也可以為兩片以上的透鏡，根據分辨率、視場角和變焦倍數來確定。

實施例十六

本實用新型的實施例十六提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，所述光學波導片的鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面可以位于光學波導片的內側面、靠近眼瞳的區域。當其焦距較長，顯示的圖像較小時，可以采用直投式的波導頭戴顯示器光學方案，其光學波導片也可以結合變焦透鏡組實現光學變焦的顯示。如圖31所示，在上述實施例十四的基礎上，所述顯示屏幕片1與光學波導片1840的光線耦合輸入結構之間依次設有補償透鏡組182和變倍透鏡組183，在光學波導片1840的第一微結構陣列面1844和眼瞳之間設置有前固定透鏡組185。

所述光學波導片1840為部分透射式的，人眼同時可以看到顯示屏幕片中的虛擬圖像和正前方的真實場景，實現增強現實的功能。另外，當補償透鏡組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律呈非線性速率的移動時，可以實現系統的光學變焦，從而實現顯示圖像大小的變化。

實施例十七

本實用新型的實施例十七提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，所述光學波導片用于反射和偏轉光線的鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面位于光學波導片的內側面、靠近眼瞳的區域，所述光學波導片可以與負透鏡組合，以適用于近視的人群。如圖32所示，在上述實施例十一的基礎上，所述光學波導片1920的鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面1925與眼瞳之間設置了一個負透鏡193，其用于矯正近視眼使用者的視力，具體負透鏡的焦距可以根據使用者的近視度數來調整，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。

實施例十八

本實用新型的實施例十八提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，所述光學波導片用于反射和偏轉光線的鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面位于光學波導片的內側面、靠近眼瞳的區域，所述光學波導片可以與正透鏡組合，以適用于老花的人群。如圖33所示，在上述實施例十二的基礎上，所述光學波導片2020為部分透射式的，人眼同時可以看到顯示屏幕片中的虛擬圖像和正前方的真實場景，其鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面2025與眼瞳之間設置了一個正透鏡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使用者的老花度數來調整。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。

實施例十九

本實用新型的實施例十九提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，所述光學波導片用于反射和偏轉光線的鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面2135位于光學波導片的內側面、靠近眼瞳的區域。所述光學波導片可以設置一個類似直角棱鏡的第一全反射面，同時結合高清晰目鏡組，實現最大的放大倍率和圖像分辨率。如圖34所示，在上述實施例十一的基礎上，該波導式的頭戴顯示器的光學裝置由顯示屏幕片1、目鏡組212(由透鏡2121、2122、2123組成)和反射式的光學波導片2130組成，所述光學波導片2130設置了一個類似直角棱鏡的第一全反射面2132，同時結合高清晰目鏡組212，實現最大的放大倍率和圖像分辨率。

實施例二十

本實用新型的實施例二十提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，所述光學波導片用于反射和偏轉光線的鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面2235位于光學波導片的內側面、靠近眼瞳的區域。如圖35所示，在上述實施例十二的基礎上，該波導式的頭戴顯示器的光學裝置由顯示屏幕片1、目鏡組222(由透鏡2221、2222、2223組成)和部分透射式的光學波導片2230組成。所述光學波導片2230設置了一個類似直角棱鏡的第一全反射面2232，同時結合高清晰目鏡組222，實現最大的放大倍率和圖像分辨率。

實施例二十一

本實用新型的實施例二十一提供了一種波導式的頭戴顯示器的光學裝置，其是針對上述實施例十一所述的波導式的頭戴顯示器的光學裝置所做出的改進，上述實施例十一所述的位于光學波導片的內側面、靠近眼瞳的區域的鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面1125，其斜面1125a需要鍍反射膜，工藝比較復雜。本具體實施方案提出了設置一種較高折射率補償片的方法，可以采用全反射的方法將光學波導片中傳輸過來的光束進行偏轉并輸入到眼瞳中，不用在任何斜面上鍍膜。

如圖36所示，本具體實施方案所述的波導式的頭戴顯示器光學裝置由顯示屏幕片1、光學波導片1320和與其配套組合的補償片133組成，光學波導片1320靠近耳朵一側的側端部位設有用于將顯示裝置輸出的圖像光線輸入到光學波導片內部的光線耦合輸入結構，光線耦合輸入結構包括設置在光學波導片靠近耳朵一側的側端部位的耦合輸入部、設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行全反射偏轉使其偏轉進入到光學波導片外側面的光學反射面的第一全反射面1322，第一全反射面1322設置在耦合輸入部的側面并與光學波導片的外側面傾斜設置，耦合輸入面1321正對著顯示屏幕片1。當然，該波導式的頭戴顯示器光學裝置也可以采用上面實施例所述的直投式的光線耦合輸入結構。

所述第一全反射面1322可以設置為平面、自由曲面、超環面、X和Y方向的曲率半徑不同的離軸二次曲面、多項式曲面、X和Y方向的曲率半徑及錐度系數均不同的雙錐系數曲面或者帶有棱鏡結構反射面。

所述耦合輸入面1321可以設置為平面、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。在本實施例中，優選設置為非球面的耦合輸入面。

在光學波導片1320的外側面和內側面中，至少在其外側面設有將經過光線耦合輸入結構輸入的圖像光線進行至少一次全反射傳輸的光學反射面1323，光學波導片1320的內側面正對人眼區域的位置設有鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面1325，第一微結構陣列面1325的外側設有補償片133，補償片133朝向光學波導片1320的第一微結構陣列面1325的內側面上設有鋸齒形V槽狀的第四微結構陣列面1331。所述補償片133的折射率高于光學波導片1320的折射率。

如圖37所示，第一微結構陣列面1325具有至少兩個依次設置的鋸齒1320，相鄰兩個鋸齒1320之間設有由斜面1325a和1325b構成的V形槽，所述第四微結構陣列面1331的鋸齒形狀與第一微結構陣列面1325的鋸齒形狀相適配，第四微結構陣列面1331也具有至少兩個依次設置的鋸齒1330，第四微結構陣列面1331的鋸齒1330由斜面1330a和1330b構成，相鄰兩個鋸齒1330之間設有與第一微結構陣列面1325的鋸齒1320相對應的V形槽，第一微結構陣列面1325與第四微結構陣列面1331間隔設置形成有折射率低于補償片的空氣隙，所述空氣隙的間隔可以為4～7微米，具體實施方案優選為5微米。

從光學波導片1320的光學反射面1323處全反射過來的光線RP，經過第一微結構陣列面1325的斜面1325b之后，穿過空氣隙，再穿過補償片的斜面1330b，入射到補償片的斜面1330a上，由于斜面1330a的外側是折射率較低的空氣隙，P點位置達到全反射條件，因此光線RP被斜面1330a全反射，全反射后的光線向下輸出，進入到眼瞳中。因此加了折射率較高的補償片133之后，光學波導片及補償片的任何斜面都不需要鍍反射膜。

所述第一微結構陣列1325的斜面1325b和第四微結構陣列面1331的斜面1330b垂直于光線RP，第一微結構陣列面1325的斜面1325a和第四微結構陣列面1331的斜面1330a與光軸OO’的夾角A與具體實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。

實施例二十二

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

如圖38所示，該波導式的頭戴顯示器的光學裝置由顯示屏幕片1、光學波導片1420及與其配套組合的補償片143組成，所述光學波導片1420的結構與上述實施例十二的光學波導片的結構大部分相同，其具有一個非球面耦合輸入面1421、第一全反射面1422、位于光學波導片1420的外側面的光學反射面1423以及位于光學波導片的內側面的鋸齒形V槽狀的第一微結構陣列面1425。補償片143朝向第一微結構陣列面1425的面上設有第四微結構陣列面1430。

如圖39所示，在光學波導片1420的第一微結構陣列面1425中，其V形槽由斜面1425a和1425b構成，相鄰兩個V形槽之間的鋸齒端部設有對光學波導片內全反射傳輸的圖像光線沒有反射作用且能夠透射光學波導片外側的真實場景的平面1425c。在補償片143的第四微結構陣列面1430中，其鋸齒由斜面1430a和1430b構成，相鄰兩個鋸齒之間設有對光學波導片內全反射傳輸的圖像光線沒有反射作用且能夠透射光學波導片外側的真實場景的平面1430c。所述第四微結構陣列面1430的鋸齒形狀與第一微結構陣列面1425的鋸齒形狀相適配。第一微結構陣列面和第四微結構陣列面組合形成部分反射及部分透射的混合微結構陣列面。

所述補償片143的折射率高于光學波導片的折射率，第一微結構陣列面與第四微結構陣列面間隔設置形成有折射率低于補償片的空氣隙，所述空氣隙的間隔可以為4～7微米，具體實施方案優選為5微米。

從光學波導片光學反射面1423處全反射過來的光線RP，經過斜面1425b之后，穿過空氣隙，再穿過補償片的斜面1430b，入射到補償片的另一側斜面1430a上，由于斜面1430a的外側是折射率較低的空氣隙，P點位置達到全反射條件，因此光線RP被斜面1430a全反射，全反射后的光線向下輸出，進入到眼瞳中。因此加了折射率較高的補償片143之后，光學波導片及補償片的任何斜面都不需要鍍反射膜。

圖39中，所述第一微結構陣列1425的右側斜面1425b和補償片143的右側斜面1430b垂直于光線RP。所述第一微結構陣列1425的左側斜面1425a和補償片143的左側斜面1430a與光軸OO’的夾角與具體實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’為經過相鄰鋸齒形微結構頂點E的邊緣光線，經過斜面1425b、空氣隙、以及斜面1430b之后，其也入射到另一側斜面1430a上的P’點，因此沒有入射到平面1425c上，即平面1425c對波導片內全反射傳輸的光線沒有反射作用，因此，這與圖4所示的現有技術方案相比，其反射面結構之間的空隙為平面的波導技術為完全不同的實施方案。圖4所示的現有實施方案的反射面結構之間的空隙為平面的位置對波導片內傳輸的光線也具有反射作用，會對最后輸出到眼瞳中的圖像產生干擾。

除了鋸齒形微結構的斜面對波導片內傳播的光束進行序列的反射偏轉，將顯示屏幕片1中的圖像成像于人眼正前方的遠處。另一方面，從光學波導片外側入射的光線TT’則可以經過平面1425c和1430c直接穿過光學波導片進入到眼瞳中，人眼同時也可以看到波導片外側的真實場景。因此本具體實施方案所述波導式的頭戴顯示技術可以實現增強現實的功能。

在此需要說明的是，在上述各個實施例中，所述光學波導片與微結構陣列面可以為一體成型結構。在制作成本及生產工藝上，可以采用高精密模具直接注塑成型實現，微結構陣列面與光學波導片一體注塑成型，制作成本低，產品精度高，生產快捷，容易實現批量生產與普及化應用。

當然，所述光學波導片和微結構陣列面也可以為獨立結構，所述微結構陣列面可以設置為連接在光學波導片上的一種光學組件，所述光學組件設置為光學薄膜，所述光學薄膜通過光學膠粘連在光學波導片上。所述光學薄膜可以通過輥壓成型或壓模的方法制作，光學薄膜上刻好相應的反射鋸齒，并在相應的斜面印制反射膜，裁剪后通過光學膠粘貼的方法粘貼在光學波導片上，但是光學膠的折射率和光學波導片的折射率要基本相同。

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