一种大视场轻量化头戴显示装置的制作方法

1.本发明属于近眼显示技术领域，具体涉及一种大视场轻量化头戴显示装置。


背景技术：

2.随着ar产品在增强现实中的应用越来越广泛，相应的技术也在不断的发展，ar产品越来越受到人们的重视，是有望取代手机的下一代移动终端。近年来，增强现实(augmented reality，ar)技术，在智能穿戴设备中得到了应用并快速发展。增强现实技术的核心部件是光学模组，光学模组视场角(fov)、厚度、显示效果将直接决定着智能穿戴设备的质量。尤其是，在做到大fov且轻薄化的同时依然具有优异的像质，成为了制约ar技术发展的关键。
3.目前ar方案中，能够呈现较好像质的量产方案是birdbath方案，拥有18mm-20mm的厚度，其厚度难以满足人们日常佩戴的需求。且轻薄化的光波导方案尚未成熟，无法提供较好的成像效果和较大的fov，若要做到大fov就必须加大结构尺寸，无法到达兼顾大fov和小尺寸，且有较为严重的色偏和光效问题。因此，实现智能穿戴设备的轻薄化且拥有较好成像效果的方案迫在眉睫。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述问题，提出一种大视场轻量化头戴显示装置，在增大视场角的同时实现轻薄化，保证了成像质量，且具备屈光度调节功能。
5.为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
6.本发明提出的一种大视场轻量化头戴显示装置，包括显示像源、第一成像棱镜单元、第二成像棱镜单元、第一成像透镜单元和偏振转换单元，其中：
7.显示像源，出光侧设有线偏振膜；
8.第一成像棱镜单元，包括膜系单元和第一棱镜，膜系单元包括偏振反射单元并贴附于第一棱镜上远离第一成像透镜单元的一侧；
9.第二成像棱镜单元，包括第二棱镜，并靠近膜系单元设置；
10.第一成像透镜单元，远离第一成像棱镜单元的一侧贴附有半透半反膜；
11.偏振转换单元，位于第一成像棱镜单元和第一成像透镜单元之间，或位于偏振反射单元和第一成像棱镜单元之间；
12.线偏振膜的厚度为60nm～250nm，膜系单元的厚度为90nm～280nm，偏振转换单元的厚度为30nm～100nm，半透半反膜的厚度为50nm～300nm；
13.显示像源发出的成像光线由线偏振膜转换为线偏振光，线偏振光进入第一成像棱镜单元发生全反射后到达膜系单元，并由膜系单元反射至第一成像透镜单元，再由第一成像透镜单元反射回第一成像棱镜单元，并依次透过膜系单元和第二成像棱镜单元到达人眼成像。
14.优选地，偏振转换单元为1/4波片，膜系单元的反射轴和偏振转换单元的慢轴之间
的夹角为45
°±1°
。
15.优选地，各棱镜为三角棱镜，偏振反射单元为偏振反射膜。
16.优选地，膜系单元还包括偏振吸收单元，偏振吸收单元为偏振吸收膜，并位于偏振反射单元和第二成像棱镜单元之间，且偏振吸收单元的吸收轴与偏振反射单元的反射轴相互平行。
17.优选地，显示像源还相对第一成像棱镜单元移动，且移动距离小于5mm。
18.优选地，显示像源相对第一成像棱镜单元移动的方向与显示像源的光轴方向之间的夹角为0
°
～15
°
。
19.优选地，大视场轻量化头戴显示装置还包括第二成像透镜单元，第二成像透镜单元位于显示像源的出光侧，线偏振光经第二成像透镜单元进入第一成像棱镜单元。
20.优选地，第二成像透镜单元的焦距为5mm～50mm。
21.优选地，显示像源和第二成像透镜单元还相对第一成像棱镜单元同步移动，且移动距离小于4mm。
22.优选地，显示像源和第二成像透镜单元相对第一成像棱镜单元同步移动的方向与显示像源的光轴方向之间的夹角为0
°
～10
°
。
23.优选地，第二成像棱镜单元靠近人眼的一侧还设有偏光片，偏光片的厚度为60nm～250nm。
24.优选地，各成像透镜单元包括至少一枚透镜。
25.优选地，各透镜的镜面面型为球面、非球面、自由曲面、菲涅尔面和平面的自由组合。
26.优选地，第一成像透镜单元为曲面透镜。
27.优选地，非球面满足如下公式：
[0028][0029]
其中，z为矢高，y为透镜中心高度，k为圆锥系数，c为曲率，ai为第i次非球面系数，n为正整数。
[0030]
优选地，显示像源为oled显示器、lcos显示器、microled显示器、dlp显示器、lbs显示器其中一种。
[0031]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0032]
该大视场轻量化头戴显示装置采用折叠光路(pancake)方案，通过第一成像棱镜单元、第二成像棱镜单元和第一成像透镜单元组成的折叠式光学元件，利用光的折射、反射和偏振原理，增加了镜间反射次数实现多次折叠光路，以具有更短的光路，在增大视场角fov的同时能做到轻薄化，保证成像质量，且具备屈光度调节功能，如fov从传统birdbath方案的48
°
增加到60
°
以上，厚度在传统birdbath方案的18mm-20mm上减薄一半。
附图说明
[0033]
图1为本发明实施例1大视场轻量化头戴显示装置的结构示意图；
[0034]
图2为本发明实施例1大视场轻量化头戴显示装置的屈光度调节示意图；
[0035]
图3为本发明实施例1屈光度0d下的mtf曲线图；
[0036]
图4为本发明实施例1屈光度6d下的mtf曲线图；
[0037]
图5为本发明实施例2屈光度0d下的mtf曲线图；
[0038]
图6为本发明实施例2屈光度6d下的mtf曲线图；
[0039]
图7为本发明实施例3屈光度0d下的mtf曲线图；
[0040]
图8为本发明实施例3屈光度6d下的mtf曲线图；
[0041]
图9为本发明实施例4屈光度0d下的mtf曲线图；
[0042]
图10为本发明实施例4屈光度6d下的mtf曲线图；
[0043]
图11为本发明实施例5屈光度0d下的mtf曲线图；
[0044]
图12为本发明实施例5屈光度6d下的mtf曲线图。
[0045]
附图标记说明：1、显示像源；2、第一成像棱镜单元；3、第二成像棱镜单元；4、第一成像透镜单元；5、第二成像透镜单元；6、人眼。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0047]
需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语均属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本技术。
[0048]
如图1-2所示，一种大视场轻量化头戴显示装置，包括显示像源1、第一成像棱镜单元2、第二成像棱镜单元3、第一成像透镜单元4和偏振转换单元，其中：
[0049]
显示像源1，出光侧设有线偏振膜；
[0050]
第一成像棱镜单元2，包括膜系单元和第一棱镜，膜系单元包括偏振反射单元并贴附于第一棱镜上远离第一成像透镜单元4的一侧；
[0051]
第二成像棱镜单元3，包括第二棱镜，并靠近膜系单元设置；
[0052]
第一成像透镜单元4，远离第一成像棱镜单元2的一侧贴附有半透半反膜；
[0053]
偏振转换单元，位于第一成像棱镜单元2和第一成像透镜单元4之间，或位于偏振反射单元和第一成像棱镜单元2之间；
[0054]
线偏振膜的厚度为60nm～250nm，膜系单元的厚度为90nm～280nm，偏振转换单元的厚度为30nm～100nm，半透半反膜的厚度为50nm～300nm；
[0055]
显示像源1发出的成像光线由线偏振膜转换为线偏振光，线偏振光进入第一成像棱镜单元2发生全反射后到达膜系单元，并由膜系单元反射至第一成像透镜单元4，再由第一成像透镜单元4反射回第一成像棱镜单元2，并依次透过膜系单元和第二成像棱镜单元3到达人眼6成像。
[0056]
其中，显示像源1用于提供图像画面，第一成像棱镜单元2包括第一棱镜和具有光线调制功能的膜系单元，第一棱镜可以是塑料材质也可以是玻璃材质，膜系单元可以是贴附在第一棱镜也可以是镀在第一棱镜上，该膜系单元起到光线偏振反射的功能。第二成像
棱镜单元3包括第二棱镜并靠近膜系单元设置，如第二成像棱镜单元3位于第一成像棱镜单元2和人眼6之间。偏振转换单元可以位于第一成像棱镜单元2和第一成像透镜单元4之间，还可以位于偏振反射单元和第一成像棱镜单元2之间，可根据实际需求设置。
[0057]
第一成像透镜单元是具有像差校正以及光路反射功能透镜组，该透镜组材质既可以是玻璃材质也可以是塑料材质，包括但不限于以下类型：球面透镜、非球面透镜、自由曲面透镜、菲涅尔透镜、平板透镜等，优选为球面透镜，如第一成像透镜单元为曲面透镜，且在曲面透镜的内侧(靠近所述第一成像棱镜单元的一侧)设有半透半反膜，该半透半反膜可以是以镀膜方式或者贴膜方式实现。
[0058]
并通过合理设置线偏振膜、膜系单元、偏振转换单元、半透半反膜的厚度，既能保证透反的效果，亦可保证膜材工艺的可行性，使成像质量和可靠性都有一个比较好的均衡，具体地：
[0059]
1)过薄的线偏振膜会出现光学性能不稳定、偏振效果不佳、无法成型等问题，同时也容易受到外部环境的影响，如机械损伤、化学腐蚀等，从而降低其耐久性。而过厚的线偏振膜会增加反射率，导致光的损失增加，同时也会影响其偏振效果，使得其光学性能变差，亦有鬼像风险。
[0060]
2)膜系单元的偏振反射单元是一种利用偏振特性来反射光线的薄膜材料。如果偏振反射单元材料过薄，会导致：1.难以成型，且更加脆弱和容易变形，从而影响偏振效果；2.耐久性下降：过薄的偏振反射单元材料会更容易被损坏，因为比较脆弱，且容易磨损或刮伤。如果偏振反射单元材料过厚，会导致光学性能变差：透过率和偏振率会降低，从而影响其在光学器件中的应用效果，还易形成鬼像。
[0061]
3)偏振转换单元(如1/4波片)是一种光学器件，用于调节光的偏振状态和改变光的相位。过薄无法成型且容易脆裂。而过厚则会导致光程差变化：偏振转换单元的厚度是根据波长来设计的，如果过厚，会导致光程差的变化超出设计值，从而影响其调节光的偏振状态和相位的能力。
[0062]
4)半透半反膜在采用蒸镀的方式的情况下，过薄无法蒸镀成型且厚度均匀性无法保证；而过厚则会有膜层脱落风险。过薄或过厚均难以保证成像效果和稳定性。
[0063]
该头戴显示装置进行三次反射，多次折叠光路，从而增加视场角fov并实现轻薄化，具体地，第一次反射是利用的空气全反射(即第一成像棱镜单元2与第一成像透镜单元4之间存在空气间隙，空气的折射率低于第一成像棱镜单元2和第一成像透镜单元4，因此成像光线能够在第一成像棱镜单元2上靠近第一成像透镜单元4的壁面进行全反射)，第二次反射是线偏振膜转换的线偏振光打到膜系单元从而反射，第三次反射是通过半透半反膜进行反射。如fov从传统birdbath方案的48
°
增加到60
°
以上，厚度在传统birdbath方案的18mm-20mm上减薄一半。
[0064]
在一实施例中，偏振转换单元为1/4波片，膜系单元的反射轴和偏振转换单元的慢轴之间的夹角为45
°±1°
。为了保证成像效果，膜系单元和偏振转换单元有一定的角度关系，偏振转换单元的慢轴需要与膜系单元的反射轴成45
°
角贴附，公差正负一度。这样能保证线偏振光变成标准圆偏振光。
[0065]
在一实施例中，各棱镜为三角棱镜，偏振反射单元为偏振反射膜。
[0066]
在一实施例中，膜系单元还包括偏振吸收单元，偏振吸收单元为偏振吸收膜，并位
于偏振反射单元和第二成像棱镜单元3之间，且偏振吸收单元的吸收轴与偏振反射单元的反射轴相互平行。偏振反射单元(如为偏振反射膜)的反射轴和偏振吸收单元(如为偏振吸收膜)的吸收轴要平行，有利于消除重影。即偏振转换单元、偏振反射单元和偏振吸收单元沿靠近人眼6的方向依次设置。
[0067]
在一实施例中，显示像源1还相对第一成像棱镜单元2移动，且移动距离小于5mm。可实现0d到6d的屈光度调节。
[0068]
在一实施例中，显示像源1相对第一成像棱镜单元2移动的方向与显示像源1的光轴方向之间的夹角为0
°
～15
°
。显示像源1的光轴方向即垂直于显示像源1的屏幕出光面的方向。
[0069]
实际使用时，若为了方便加工成型、装配等考虑，该夹角可优选0
°
，但此时，若显示像源1过大，显示像源1移动至范围端点时，由于光学镜片等限制，有可能处在显示像源1的出光面边缘的显示内容，无法正常进入第一成像棱镜单元2传导光线，造成最终入眼画面有缺失或者位移、畸变严重。
[0070]
因此，为了最终画面的完整性和优秀的成像质量，可以令显示像源1的移动方向与光轴方向呈现一定夹角，即移动时有平行于显示像源1的出光面的移动分量，能够确保显示像源1在整个移动范围内射出的成像光线均能够正常进入第一成像棱镜单元2进行光线传导，保证在屈光度调节范围内，最终的成像画面都完整，显示像源1的整个出光面都能够得到充分利用；
[0071]
但是该角度也不宜过大，以确保显示像源1移动时，平行于显示像源1的出光面的移动分量较小，显示像源1的主要移动分量在光轴方向上；若该角度过大，即显示像源1移动时，在平行于显示像源1的出光面上的移动分量过大，想要在整个屈光度调节范围内，显示像源1射出的成像光线均能够进入第一成像棱镜单元2的入射面，则第一成像棱镜单元2的入射面需要做的非常大，整个装置的体积也会非常大，使得应用的增强现实设备的体积也会较大，难以满足轻薄化的需求，同时过大的角度也会导致画面缺失、位移、畸变严重。具体地，综合轻薄与成像质量以及画面完整性等，该夹角优选7
°
，能够确保轻薄的同时，确保显示画面的完整性，保证显示效果。
[0072]
在一实施例中，大视场轻量化头戴显示装置还包括第二成像透镜单元5，第二成像透镜单元5位于显示像源1的出光侧，线偏振光经第二成像透镜单元5进入第一成像棱镜单元2。
[0073]
在一实施例中，第二成像透镜单元5的焦距为5mm～50mm。有利于提升成像质量。
[0074]
在一实施例中，显示像源1和第二成像透镜单元5还相对第一成像棱镜单元2同步移动，且移动距离小于4mm。可实现0d到6d的屈光度调节。
[0075]
在一实施例中，显示像源1和第二成像透镜单元5相对第一成像棱镜单元2同步移动的方向与显示像源1的光轴方向之间的夹角为0
°
～10
°
。显示像源1的光轴方向即垂直于显示像源1的屏幕出光面的方向。
[0076]
实际使用时，若为了方便加工成型、装配等考虑，该夹角可优选0
°
，但此时，若显示像源过大，显示像源1和第二成像透镜单元5同步移动至范围端点时，由于光学镜片等限制，有可能处在显示像源1的出光面边缘的显示内容，无法正常进入第一成像棱镜单元2传导光线，造成最终入眼画面有缺失或者位移、畸变严重。
[0077]
因此，为了最终画面的完整性和优秀的成像质量，可以令显示像源1和第二成像透镜单元5同步移动的方向与显示像源1的光轴方向呈现一定夹角，即移动时有平行于显示像源1的出光面的移动分量，能够确保显示像源1在整个移动范围内射出的成像光线均能够正常进入第一成像棱镜单元2进行光线传导，保证在屈光度调节范围内，最终的成像画面都完整，显示像源1的整个出光面都能够得到充分利用。
[0078]
但是该角度也不宜过大，以确保显示像源1移动时，平行于显示像源1的出光面的移动分量较小，显示像源1的主要移动分量在光轴方向上；若该角度过大，即显示像源1移动时，在平行于显示像源1的出光面上的移动分量过大，想要在整个屈光度调节范围内，显示像源1射出的成像光线均能够进入第一成像棱镜单元2的入射面，则第一成像棱镜单元2的入射面需要做的非常大，整个装置的体积也会非常大，使得应用的增强现实设备的体积也会较大，难以满足轻薄化的需求，同时夹角过大也会导致画面缺失、位移、畸变严重。
[0079]
与上述只移动显示像源1的方案相比，由于加入了正焦距的第二成像透镜单元5，在进入第一成像棱镜单元2前，对成像光线进行约束收敛，因此所需的夹角与移动量均小于只移动显示像源1的方案。而且显示像源1和第二成像透镜单元5同步移动，这种移动方式能够确保在移动过程中，从显示像源1同一位置射出的光线透射过第二成像透镜单元5后的角度都一致，即不同屈光度时，第二成像透镜单元5射出的光线的发散程度一致，可以确保最终成像fov一致，不会有大幅度的缩减。
[0080]
在一实施例中，第二成像棱镜单元3靠近人眼的一侧还设有偏光片，偏光片的厚度为60nm～250nm。
[0081]
当没有第二成像透镜单元5时，具有很高的设计兼容度，有利于大批量生产；如设置第二成像透镜单元5，则可进一步提升成像质量，第二成像透镜单元可以是透镜组形式，且为了减少第二成像透镜单元5产生的彩虹纹，可以通过在第二成像棱镜单元3的近眼表面贴偏振吸收膜，亦可降低彩虹纹，其原理就是通过成像方向的线偏振光，不影响成像的同时，减弱一半的杂光，因为杂光有平行成像线偏振光和垂直线偏振光的方向。
[0082]
如可以在第二成像棱镜单元的近眼表面贴偏光片，偏光片的厚度为60nm～250nm，厚度偏薄的话，薄膜无法堆叠成型保证效果；厚度过厚的话，光线在膜内部发生反射，会造成鬼像。故而60nm～250nm是既能保证效果，也不会造成其余的负面效果，用来消除外界的杂光。
[0083]
在一实施例中，各成像透镜单元包括至少一枚透镜。
[0084]
在一实施例中，各透镜的镜面面型为球面、非球面、自由曲面、菲涅尔面和平面的自由组合。
[0085]
其中，各成像透镜单元为一系列具有像差校正功能的透镜组，各透镜可以为塑料材质、也可以是玻璃材质，该透镜组的透镜数量不限，包括但不限于以下类型：球面透镜、非球面透镜、自由曲面透镜、菲涅尔透镜、平板透镜等，优选为球面透镜。
[0086]
在一实施例中，第一成像透镜单元4为曲面透镜。
[0087]
在一实施例中，非球面满足如下公式：
[0088]
[0089]
其中，z为矢高，y为透镜中心高度，k为圆锥系数，c为曲率，ai为第i次非球面系数，n为正整数。
[0090]
在一实施例中，显示像源1为oled显示器、lcos显示器、microled显示器、dlp显示器、lbs显示器其中一种。其中，显示像源1包括但不限于以上器件，优选为oled显示器。
[0091]
该装置的工作原理是显示像源发出的成像光线由线偏振膜转换为45
°
线偏振光线后经过第二成像透镜单元，再传射到第一成像棱镜单元上，第一成像棱镜单元上靠近第二成像棱镜单元的一侧贴有具光路调制功能的膜系单元，45
°
线偏振光先在第一成像棱镜单元发生全反射到达膜系单元，再由膜系单元反射45
°
线偏振光，透过-45
°
的线偏振光，光线反射到第一成像透镜单元的外侧面上。第一成像透镜单元上设有半透半反膜，把光线反射回第一成像棱镜单元，此时线偏振光的角度变成-45
°
，可以依次透过膜系单元和第二成像棱镜单元，最终到达人眼6(eye)成像，如图1所示。图2呈现了光路走向和屈光度调节(显示像源1和第二成像透镜单元5同步移动)示意。
[0092]
以下通过具体实施例进行详细阐述。各表中，obj表示物面，img表示像面，stop表示光阑，eye relief表示出瞳距离，面序列号中，s2和s3均表示第二成像棱镜单元3上靠近人眼6的镜面，s4、s5、s12、s13均表示第一成像棱镜单元2上靠近第二成像棱镜单元3的镜面，s6、s7、s11、s14、s15均表示第一成像棱镜单元2上靠近第一成像透镜单元4的镜面，s8、s10均表示第一成像透镜单元4上靠近第一成像棱镜单元2的镜面，s9表示第一成像透镜单元4上远离第一成像棱镜单元2的镜面，s16、s17均表示第一成像棱镜单元2上靠近第二成像透镜单元5的镜面，s18、s19均表示第二成像透镜单元5的出光面，s20表示第二成像透镜单元5的入光面，显示像源的出光侧带有平板玻璃(面序列号s21)，标准面即球面。
[0093]
实施例1：
[0094]
本实施例中，该装置包括显示像源1、第一成像棱镜单元2、第二成像棱镜单元3、第一成像透镜单元4和第二成像透镜单元5，偏振转换单元设置于第一成像棱镜单元2和第一成像透镜单元4之间，显示像源1和第二成像透镜单元5还可沿光轴方向同步移动实现屈光度调节。线偏振膜、膜系单元和偏振转换单元的厚度分别为120nm、200nm、60nm，半透半反膜的厚度为100nm，第二成像棱镜单元3靠近人眼的一侧设有偏光片，偏光片的厚度为120nm。本实施例中膜的厚度优选偏中间的值，对于成像质量和可靠性都有一个比较好的均衡。
[0095]
表1实施例1的屈光度0d位置光学参数
[0096][0097][0098]
表2实施例1的屈光度6d位置光学参数
[0099][0100]
根据表1、2中的光学参数，本实施例大视场轻量化头戴显示装置的视场角fov可达60
°
，厚度可达9.4mm。如图3、4所示，分别为在屈光度0d与屈光度6d调节下，对应的mtf曲线图。图中mtf在10lp/mm下大于0.1，因为该装置属于目视光学系统，结合人眼角分辨率，该mtf指标可以保证人眼接收到一个非常清晰锐利的画面，可以有效保证佩戴的体验感。
[0101]
实施例2：
[0102]
本实施例中，该装置包括显示像源1、第一成像棱镜单元2、第二成像棱镜单元3、第一成像透镜单元4和第二成像透镜单元5，偏振转换单元设置于第一成像棱镜单元2和第一成像透镜单元4之间，显示像源1和第二成像透镜单元5还可沿光轴方向同步移动实现屈光度调节。线偏振膜、膜系单元和偏振转换单元的厚度分别为60nm、90nm、30nm，半透半反膜的厚度为50nm，第二成像棱镜单元3靠近人眼的一侧设有偏光片，偏光片的厚度为60nm。本实施例中膜的厚度采用最薄情况的搭配方式，适用于对减薄有极致要求的光学系统，对于工艺难度有较大挑战，且线偏振膜、膜系单元和偏振转换单元减薄的原料成本较贵，但成像效
果与实施例1类似。蒸镀的半透半反膜的厚度最薄为50nm，否则会有镀膜不均的风险，影响成像效果。
[0103]
表3实施例2的屈光度0d位置光学参数
[0104][0105]
表4实施例2的屈光度6d位置光学参数
[0106]
[0107][0108]
根据表3、4中的光学参数，本实施例大视场轻量化头戴显示装置的视场角fov可达60
°
，厚度可达9.4mm。如图5、6所示，分别为在屈光度0d与屈光度6d调节下，对应的mtf曲线图。图中mtf在10lp/mm下大于0.1，因为该装置属于目视光学系统，结合人眼角分辨率，该mtf指标可以保证人眼接收到一个非常清晰锐利的画面，可以有效保证佩戴的体验感。
[0109]
实施例3：
[0110]
本实施例中，该装置包括显示像源1、第一成像棱镜单元2、第二成像棱镜单元3、第一成像透镜单元4和第二成像透镜单元5，偏振转换单元设置于第一成像棱镜单元2和第一成像透镜单元4之间，显示像源1和第二成像透镜单元5还可沿光轴方向同步移动实现屈光度调节。线偏振膜、膜系单元和偏振转换单元的厚度分别为250nm、280nm、100nm，半透半反膜的厚度为300nm，第二成像棱镜单元3靠近人眼的一侧设有偏光片，偏光片的厚度为250nm。本实施例中膜的厚度均取最大值，线偏振膜、膜系单元和偏振转换单元可挑选的原材料型号较多。但较厚的膜一般上市较早，性能表现一般，尤其是对于偏振光的转换效率会略差。半透半反膜的厚度上限定在300nm，因为超过这个数值有脱膜风险，影响成像效果。
[0111]
表5实施例3的屈光度0d位置光学参数
[0112][0113]
表6实施例3的屈光度6d位置光学参数
[0114]
[0115][0116]
根据表5、6中的光学参数，本实施例大视场轻量化头戴显示装置的视场角fov可达60
°
，厚度可达9.4mm。如图7、8所示，分别为在屈光度0d与屈光度6d调节下，对应的mtf曲线图。图中mtf在10lp/mm下大于0.1，因为该装置属于目视光学系统，结合人眼角分辨率，该mtf指标可以保证人眼接收到一个非常清晰锐利的画面，可以有效保证佩戴的体验感。
[0117]
实施例4：
[0118]
本实施例中，该装置包括显示像源1、第一成像棱镜单元2、第二成像棱镜单元3、第一成像透镜单元4和第二成像透镜单元5，偏振转换单元设置于第一成像棱镜单元2和第一成像透镜单元4之间，显示像源1和第二成像透镜单元5还可沿光轴方向同步移动实现屈光度调节。线偏振膜、膜系单元和偏振转换单元的厚度分别为100nm、180nm、80nm，半透半反膜的厚度为100nm，第二成像棱镜单元3靠近人眼的一侧设有偏光片，偏光片的厚度为100nm。本实施例中膜的厚度优选上述值，使得主要表面对小fov(即小于60
°
时)亦兼容。
[0119]
表7实施例4的屈光度0d位置光学参数
[0120]
[0121][0122]
表8实施例4的屈光度6d位置光学参数
[0123][0124][0125]
根据表7、8中的光学参数，本实施例大视场轻量化头戴显示装置的视场角fov可达57
°
，厚度可达9.4mm。如图9、10所示，分别为在屈光度0d与屈光度6d调节下，对应的mtf曲线图。图中mtf在10lp/mm下大于0.1，因为该装置属于目视光学系统，结合人眼角分辨率，该mtf指标可以保证人眼接收到一个非常清晰锐利的画面，可以有效保证佩戴的体验感。
[0126]
实施例5：
[0127]
本实施例中，该装置包括显示像源1、第一成像棱镜单元2、第二成像棱镜单元3、第一成像透镜单元4和第二成像透镜单元5，偏振转换单元设置于第一成像棱镜单元2和第一成像透镜单元4之间，显示像源1和第二成像透镜单元5还可沿光轴方向同步移动实现屈光度调节。线偏振膜、膜系单元和偏振转换单元的厚度分别为115nm、195nm、60nm，半透半反膜的厚度为100nm，第二成像棱镜单元3靠近人眼的一侧设有偏光片，偏光片的厚度为115nm。本实施例中膜的厚度优选上述值，使得主要表面对大fov(即60
°
以上时)亦兼容。
[0128]
表9实施例5的屈光度0d位置光学参数
[0129][0130][0131]
表10实施例5的屈光度0d位置光学参数
[0132][0133]
根据表9、10中的光学参数，本实施例大视场轻量化头戴显示装置的视场角fov可达65
°
，厚度可达9.4mm。如图11、12所示，分别为在屈光度0d与屈光度6d调节下，对应的mtf曲线图。图中mtf在10lp/mm下大于0.1，因为该装置属于目视光学系统，结合人眼角分辨率，该mtf指标可以保证人眼接收到一个非常清晰锐利的画面，可以有效保证佩戴的体验感。
[0134]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0135]
以上所述实施例仅表达了本技术描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种大视场轻量化头戴显示装置，其特征在于：所述大视场轻量化头戴显示装置包括显示像源(1)、第一成像棱镜单元(2)、第二成像棱镜单元(3)、第一成像透镜单元(4)和偏振转换单元，其中：所述显示像源(1)，出光侧设有线偏振膜；所述第一成像棱镜单元(2)，包括膜系单元和第一棱镜，所述膜系单元包括偏振反射单元并贴附于所述第一棱镜上远离所述第一成像透镜单元(4)的一侧；所述第二成像棱镜单元(3)，包括第二棱镜，并靠近所述膜系单元设置；所述第一成像透镜单元(4)，远离所述第一成像棱镜单元(2)的一侧贴附有半透半反膜；所述偏振转换单元，位于所述第一成像棱镜单元(2)和第一成像透镜单元(4)之间，或位于所述偏振反射单元和第一成像棱镜单元(2)之间；所述线偏振膜的厚度为60nm～250nm，所述膜系单元的厚度为90nm～280nm，所述偏振转换单元的厚度为30nm～100nm，所述半透半反膜的厚度为50nm～300nm；所述显示像源(1)发出的成像光线由所述线偏振膜转换为线偏振光，所述线偏振光进入所述第一成像棱镜单元(2)发生全反射后到达所述膜系单元，并由所述膜系单元反射至所述第一成像透镜单元(4)，再由所述第一成像透镜单元(4)反射回所述第一成像棱镜单元(2)，并依次透过所述膜系单元和第二成像棱镜单元(3)到达人眼(6)成像。2.如权利要求1所述的大视场轻量化头戴显示装置，其特征在于：所述偏振转换单元为1/4波片，所述膜系单元的反射轴和偏振转换单元的慢轴之间的夹角为45
°±1°
。3.如权利要求1所述的大视场轻量化头戴显示装置，其特征在于：各所述棱镜为三角棱镜，所述偏振反射单元为偏振反射膜。4.如权利要求1所述的大视场轻量化头戴显示装置，其特征在于：所述膜系单元还包括偏振吸收单元，所述偏振吸收单元为偏振吸收膜，并位于所述偏振反射单元和第二成像棱镜单元(3)之间，且所述偏振吸收单元的吸收轴与所述偏振反射单元的反射轴相互平行。5.如权利要求1所述的大视场轻量化头戴显示装置，其特征在于：所述显示像源(1)还相对所述第一成像棱镜单元(2)移动，且移动距离小于5mm。6.如权利要求5所述的大视场轻量化头戴显示装置，其特征在于：所述显示像源(1)相对所述第一成像棱镜单元(2)移动的方向与所述显示像源(1)的光轴方向之间的夹角为0
°
～15
°
。7.如权利要求1所述的大视场轻量化头戴显示装置，其特征在于：所述大视场轻量化头戴显示装置还包括第二成像透镜单元(5)，所述第二成像透镜单元(5)位于所述显示像源(1)的出光侧，所述线偏振光经所述第二成像透镜单元(5)进入所述第一成像棱镜单元(2)。8.如权利要求7所述的大视场轻量化头戴显示装置，其特征在于：所述第二成像透镜单元(5)的焦距为5mm～50mm。9.如权利要求7所述的大视场轻量化头戴显示装置，其特征在于：所述显示像源(1)和第二成像透镜单元(5)还相对所述第一成像棱镜单元(2)同步移动，且移动距离小于4mm。10.如权利要求9所述的大视场轻量化头戴显示装置，其特征在于：所述显示像源(1)和第二成像透镜单元(5)相对所述第一成像棱镜单元(2)同步移动的方向与所述显示像源(1)的光轴方向之间的夹角为0
°
～10
°
。
11.如权利要求7所述的大视场轻量化头戴显示装置，其特征在于：所述第二成像棱镜单元(3)靠近人眼的一侧还设有偏光片，所述偏光片的厚度为60nm～250nm。12.如权利要求7所述的大视场轻量化头戴显示装置，其特征在于：各所述成像透镜单元包括至少一枚透镜。13.如权利要求12所述的大视场轻量化头戴显示装置，其特征在于：各所述透镜的镜面面型为球面、非球面、自由曲面、菲涅尔面和平面的自由组合。14.如权利要求12所述的大视场轻量化头戴显示装置，其特征在于：所述第一成像透镜单元(4)为曲面透镜。15.如权利要求13所述的大视场轻量化头戴显示装置，其特征在于：所述非球面满足如下公式：其中，z为矢高，y为透镜中心高度，k为圆锥系数，c为曲率，a
i
为第i次非球面系数，n为正整数。16.如权利要求1所述的大视场轻量化头戴显示装置，其特征在于：所述显示像源(1)为oled显示器、lcos显示器、microled显示器、dlp显示器、lbs显示器其中一种。

技术总结
本发明公开了一种大视场轻量化头戴显示装置，包括：显示像源，出光侧设有线偏振膜；第一成像棱镜单元，包括膜系单元和第一棱镜，膜系单元包括偏振反射单元并贴附于第一棱镜上远离第一成像透镜单元的一侧；第二成像棱镜单元，包括第二棱镜，并靠近膜系单元设置；第一成像透镜单元，远离第一成像棱镜单元的一侧贴附有半透半反膜；偏振转换单元，位于第一成像棱镜单元和第一成像透镜单元之间，或位于偏振反射单元和第二成像棱镜单元之间；并合理设置线偏振膜、膜系单元、偏振转换单元、半透半反膜的厚度。该装置在增大视场角的同时实现轻薄化，保证了成像质量，且具备屈光度调节功能。且具备屈光度调节功能。且具备屈光度调节功能。


技术研发人员：夏傑 陈朋波 杜晖 江超群
受保护的技术使用者：杭州灵伴科技有限公司
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/10/8