一种增强现实头戴显示系统的制作方法

本发明属于增强现实领域，具体涉及一种增强现实头戴显示系统。

背景技术：

1、增强现实(ar)技术正引领着新一轮信息技术革命，它通过图像、视频和3d模型将虚拟信息无缝融入现实世界，成为信息时代的下一个引爆点。在ar技术中，光学显示方案扮演着核心角色。目前比较成熟的ar技术中的光学显示方案主要分为birdbath(自由曲面)方案、弧形曲面反射镜方案、自由曲面棱镜方案、几何阵列光波导方案、表面浮雕光栅光波导和体全息光波导方案。

2、结合图1，birdbath方案设计中光(图1中蓝色的线)从显示源(垂直于前额的黑色矩形)射向一片45度夹角的分光镜上。这块镜片(分束器)的反射值(r)和透射值(t)分别将光以r的百分比反射，其余部分以t的值透射。r和t都允许用户在显示器产生的数字图像以外的区域看到真实世界。分束器的光线反射到合束器上，合束器是一个凹面镜，可以将光线在重定位向眼镜的位置(图片中的红色虚线)；

3、但是在50/50的分束器中，第一次反射就有50％的光损失，当光线击中合束器时又会损失额外的光。为了弥补光线的大量损失，一般镜片会非常黑，类似室内带墨镜。显示源位于头部，增加显示亮度会增加功耗，导致发热引起头部的不适。当光源从合束器的内部和外部反射时，可能会导致产生不需要的图像，通常称为重影。整个显示模组体积过大，结构既不紧凑也不轻薄，长时间戴在头上会产生压迫感。

4、结合图2，弧形曲面反射镜方案是使用lcd显示源和具有反射/透射(r/t)值的曲面镜，用作镜子和合束器。显示器发出的光直接撞击凹面镜/组合镜，然后反射回眼睛；但由于光仅通过单个组合器/透镜传播，因此光损失仅限于“单次通过”，并且远低于birdbath设计。显示源位于头部，增加显示亮度会增加功耗，导致发热引起头部的不适。整个显示模组体积过大，结构既不紧凑也不轻薄，长时间戴在头上会产生压迫感。

5、结合图3，自由曲面棱镜方案中显示器发出的光线直接射至凹面镜/合成器，并且反射回眼内。显示源的理想位置居中，并与镜面平行。从技术上讲，理想位置是令显示源覆盖用户的眼睛，所以大多数设计都将显示器移至“轴外”，设置在额头上方。凹面镜上的离轴显示器存在畸变，需要在软件/显示器端进行修正。

6、但在透过率方面，自由曲面棱镜方案将透过率提升60％，比birdbath方案的20％透过率要高，显示源位于头部，增加显示亮度会增加功耗，导致发热引起头部的不适。自由曲面棱镜体积过大而且比较沉，结构既不紧凑也不轻薄，长时间戴在头上会产生压迫感。

7、结合图4，几何阵列光波导通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大，可以实现图像质量包括颜色和对比度可以达到较高水准。图像源发出的光进入到光波导中，在光波导中全反射向前传播，在遇到阵列的第一个面时，部分光反射从光波导耦出，部分光透射继续全反射传播，直到遇到阵列的第二个面时，部分光反射从光波导耦出，部分光透射继续全反射传播，以此类推，其中各个阵列面反射偶出的光亮度相同。

8、几何阵列光波导轻薄，但光效率低亮度不高，显示源位于头部，增加显示亮度会增加功耗，导致发热引起头部的不适。

9、结合图5，表面浮雕光栅光波导方案通过浮雕光栅实现图像的输出和动眼框的扩大，可以实现图像质量包括颜色和对比度可以达到较高水准。图像源发出的光，经过浮雕光栅耦入到光波导中，在光波导中全反射向前传播，在遇到浮雕光栅时，光从浮雕光栅耦出进入到人眼。

10、表面浮雕光栅光波导轻薄，但光效率低亮度不高，显示源位于头部，增加显示亮度会增加功耗，导致发热引起头部的不适。

11、结合图6，体全息光波导通过体全息光栅实现图像的输出和动眼框的扩大，可以实现图像质量包括颜色和对比度可以达到较高水准。图像源发出的光，经过体全息光栅耦入到光波导中，在光波导中全反射向前传播，在遇到体全息光栅时，光从体全息光栅耦出进入到人眼。

12、体全息光波导轻薄，但光效率低亮度不高，显示源位于头部，增加显示亮度会增加功耗，导致发热引起头部的不适。

13、综上所述，目前的增强现实头戴显示方案，不能同时兼顾轻薄、结构紧凑、亮度高、长时间佩戴头部无压迫感等优点。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种增强现实头戴显示系统。

2、实现本发明目的的具体技术方案为：

3、一种增强现实头戴显示系统，包括图像源、耦入透镜组、光纤、耦出透镜组和光栅；

4、所述图像源发出平行光，并经过耦入透镜组聚焦进入光纤内传输；

5、光纤在光纤内全反射传播，并从光纤的输出端出射，经过耦出透镜组形成平行光入射至光栅，并经由光栅出射，实现图像源图像的增强现实展示。

6、进一步的，所述光纤围绕头部设置，其输出端设置在眼部上方或两侧；

7、所述光栅设置在眼部前方，用于将耦出透镜组出射的平行光水平的入射到人眼内，从而实现图像的增强现实展示。

8、进一步的，所述光栅采用闪耀光栅或全息光栅；

9、所述闪耀光栅包括多组，分别用于反射不同波长的光，其栅距根据所需反射光的波长λ设置；

10、所述全息光栅包括多组，分别用于反射不同波长的光，其光栅周期根据所需反射光的波长λ设置。

11、进一步的，所述闪耀光栅与竖直方向的倾角设置为α，光栅的栅距根据其与竖直方向的倾角、所需反射光的波长λ设置：

12、2dsinα＝λ。

13、进一步的，所述全息光栅的栅距以根据入射光束的入射角、所需反射光的波长λ设置：

14、

15、βout＝0

16、其中，是全息光栅的光栅矢量k与竖直方向的夹角，βin表示光纤入射到全息光栅的入射角，n表示光栅折射率。

17、进一步的，所述图像源发出的平行光经过耦入透镜组的聚焦角度限制在θmax之内：

18、

19、其中，n1和n2分别为光纤的纤芯和包层的折射率，na表示光纤的数值孔径。

20、进一步的，所述耦入透镜组包括多片凸透镜、多片凹透镜；

21、所述多片凸透镜、多片凹透镜以一定距离的间距搭配设置，用于将图像源发出的平行光进行聚焦，采用球面或非球面镜片；

22、所述耦出透镜组包括多片凸透镜、多片凹透镜；

23、所述多片凸透镜、多片凹透镜以一定距离的间距搭配设置，用于将光纤的输出端出射的光束调整为平行光，采用球面或非球面镜片。

24、进一步的，所述图像源采用的光源为三色激光光源；

25、所述闪耀光栅共设置三组，分别用于反射红光、绿光和蓝光；

26、所述全息光栅共设置三组，分别用于反射红光、绿光和蓝光。

27、进一步的，所述光纤围绕头部顶部设置，光纤的输出端设置在人眼上方。

28、进一步的，所述光纤围绕头部侧面设置，光纤的输出端设置在人眼的左侧和右侧。

29、相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

30、(1)本发明的增强现实头戴显示系统仅只含有图像源、耦入透镜组、光纤、耦出透镜组和光栅，头部显示部分只有闪耀光栅组或体全息光栅组，没有图像生成模组，结构紧凑轻薄，长期佩戴不会压迫头部产生不适的感觉，图像源体积较大重量较沉，长期佩戴在腰部也不会产生不适的感觉，头戴显示方案轻薄，结构紧凑，长时间佩戴头部无压迫感；

31、(2)本发明的增强现实头戴显示系统基于延长光纤，可以将图像源从传统的头部移至身体任意部位，例如腰部，与传统头戴显示方案相比，传统方案图像源位于眼镜腿，要求结构紧凑，而位于腰部可以不受体积的限制，图像源的亮度可以提升，与传统头戴显示方案相比，传统方案入眼亮度最高在1000nits，在室内使用足够，但是在晴朗日照充足的白天，入眼亮度需要在5000nits左右，因此通过提高图像源的亮度可以达到该亮度；另外，由于其体积可以变大，由功耗增加产生的热量不会引起头部的不适，可以在图像源引入风扇实现主动散热，散热效果更好，同时风扇噪音不会影响到头部的不适；

32、(3)本发明的增强现实头戴显示系统的光栅采用闪耀光栅组或体全息光栅组，且针对三色光采用三层设计，每一层光栅针对一种波长优化，有效消除了色差，显示效果好；

33、(4)本发明的增强现实头戴显示系统由于可以将图像源设置在身体任意不问，因此，由于亮度提升产生的续航时间缩短问题，可以通过提升电池容量来提升续航，进一步提高使用感。

34、下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。