头戴式显示器的制作方法

1.本技术涉及显示技术领域，尤其是一种头戴式显示器。


背景技术：

2.目前的增强现实(augmented reality，ar)显示器，通常包括显示系统、输入耦合系统、波导和输出耦合系统四个部分。显示系统发出的图像光入射至输入耦合系统，并通过波导的传播后，从输出耦合系统输出，从而向用户呈现增强现实的图像。评估ar显示器的显示效果时通常会采用视场角(field of view，fov)与眼盒(eye box)两个参数。fov是指图像可呈现的最大范围的两条边缘与眼睛所构成的夹角。eye box是指图像保持清晰时眼球可活动的最大范围，即超出eye box范围时，眼球所看到的图像将会产生畸变。在现有的架构下，由于近眼显示限制了波导与输出耦合系统的面积，ar显示器的fov与eye box会互相牵制，也即在ar显示器的面积固定时，增大fov则会减小eye box。为了增加eye box，一种方案是采用瞳孔复制(pupil replication)的方法，将输出的图像光进行复制，但该方案会导致图像光效率分散或分布不均匀，且fov较小。


技术实现要素：

3.本技术提供一种头戴式显示器，其包括：
4.显示系统，用于发出图像光；
5.液晶耦合器，用于接收所述图像光，并调节所述图像光的出射角；
6.输入耦合光栅，位于所述图像光的光路上，用于接收从所述液晶耦合器发出的所述图像光，并用于衍射所述图像光后出射；
7.波导，所述波导设于所述输入耦合光栅与所述液晶耦合器之间，用于接收并传输所述输入耦合光栅发出的所述图像光；
8.输出耦合光栅，所述输出耦合光栅用于接收所述波导传输的所述图像光，并用于衍射所述图像光后出射，所述输出耦合光栅出射的所述图像光用于形成一增强现实的图像。
9.上述头戴式显示器，通过在输入耦合光栅和显示系统之间设置液晶耦合器，可以在图像光入射进输入耦合光栅时的角度，进而改变图像光从输出耦合光栅出射时的角度，从而在保持fov不变的情况下增加了eye box，提高了头戴式显示器的显示效果。
10.在一实施例中，所述液晶耦合器包括：
11.第一电极层，用于接收一公共电压；
12.第二电极层，所述第二电极层包括多个相互绝缘的电极组，每一所述电极组包括多个相互绝缘的电极对，每一电极对包括两个电极块，每一所述电极对中的所述两个电极块用于接收电压大小相同的偏转电压；以及
13.液晶层，位于所述第一电极层和所述第二电极层之间，所述液晶层包括多个液晶分子，所述液晶层用于接收所述图像光，所述多个液晶分子用于根据所述公共电压和所述
偏转电压进行偏转，以控制所述图像光的出射角。
14.上述液晶耦合器，通过在一电极组中设置多个电极对，并控制每一电极对的偏转电压，进而控制电极组对应的液晶层中液晶分子的偏转，从而控制图像光的出射角。
15.在一实施例中，每一所述电极对中的电极块关于所述电极组的几何中心成中心对称。
16.在一实施例中，每一所述电极组内至少包括两个所述电极对。
17.在一实施例中，在一所述电极组中，至少有一个所述电极对接收的所述偏转电压与其他所述电极对接收的所述偏转电压不同。
18.在一实施例中，所述显示系统包括多个像素，每一所述像素单独发出一子光线，每一所述子光线入射至所述液晶耦合器的一所述电极组上，所述多个像素发出的多条所述子光线共同构成所述图像光。
19.在一实施例中，所述头戴式显示器还包括一控制器，所述控制器与所述显示系统和所述液晶耦合器电连接，用于控制所述显示系统发出所述图像光，并控制所述液晶耦合器调节所述图像光的出射角。
20.在一实施例中，所述控制器与所述第一电极层电连接，用于输出所述公共电压，所述控制器与每一所述电极块电连接，用于分别向每一所述电极块输出所述偏转电压。
21.在一实施例中，所述液晶耦合器通过调节所述图像光从所述液晶耦合器出射时的出射角，改变所述图像光从所述输出耦合光栅出射时的出射角。
22.在一实施例中，所述液晶耦合器与所述波导之间具有间隔。
附图说明
23.图1为本技术一实施例中头戴式显示器内的光路结构示意图。
24.图2为本技术一实施例中液晶耦合器的剖视图。
25.图3为本技术一实施例中液晶耦合器的工作原理图。
26.图4为本技术一实施例中液晶耦合器的部分俯视图。
27.图5为本技术一实施例中液晶耦合器的v
‑
v剖视示意图。
28.主要元件符号说明
29.头戴式显示器
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100
30.显示系统
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10
31.像素
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11
32.控制器
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20
33.液晶耦合器
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30
34.第一电极层
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31
35.第二电极层
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33
36.电极组
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331
37.电极对
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333、333a
38.电极块
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335、335a
39.基板
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337
40.液晶层
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35
41.液晶分子
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351、351a
42.输入耦合光栅
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50
43.波导
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70
44.输出耦合光栅
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90
45.出射角
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θ
46.眼睛
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a
47.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本技术。
具体实施方式
48.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，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。
49.除非另有定义，本技术所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。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，不是旨在于限制本技术。
50.为能进一步阐述本技术达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施方式，对本技术作出如下详细说明。
51.本技术实施例提供一种头戴式显示器，可用于虚拟现实和增强现实系统。头戴式显示器可包括眼镜或其他可穿戴装置，用于向用户提供覆盖在现实世界内容上的由计算机生成的内容，如覆盖在用户视野上的图像或视频等，实现增强现实的效果。
52.在一实施例中，请参阅图1，头戴式显示器100包括显示系统10、液晶耦合器30、输入耦合光栅50、波导70和输出耦合光栅90。显示系统10用于发出一图像光。液晶耦合器30用于接收图像光后调节图像光从液晶耦合器30出射时的出射角θ，并用于将图像光传输至输入耦合光栅50。输入耦合光栅50用于将图像光衍射后出射至波导70中。波导70用于将衍射后的图像光传输至输出耦合光栅90。输出耦合光栅90用于将衍射后的图像光再次衍射，形成一增强现实的图像，并输出至眼睛a中。
53.在一实施例中，头戴式显示器100还包括一控制器20，控制器20与显示系统10和液晶耦合器30电连接，用于控制显示系统10发出图像光并控制液晶耦合器30调节图像光的出射角θ。在其他实施例中，控制器20还可以与输入耦合光栅50和输出耦合光栅90电连接，用于控制图像光的耦入和耦出。控制器20可以包括存储装置(如硬盘驱动器存储装置)、一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器、电源管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路或其他集成电路，以实现头戴式显示器100的各种控制操作，如数据传输操作、涉及使用控制信号调节部件的操作等。
54.在一实施例中，显示系统10可以为一个或多个显示器，具体可以为自发光的有源器件，比如微型有机发光二极管显示面板和微型发光二极管显示面板，也可以是需要外部光源照明的液晶显示屏、基于微机电系统技术的数字微镜阵列或激光束扫描仪。所述一个或多个显示器可以根据控制器20传输的图像信号发出一图像光，或根据控制器20传输的视频信号发出连续变化的图像光。显示系统10发出的图像光为平行光，且垂直入射至液晶耦合器30中。
55.在一实施例中，请一并参阅图2和图5，液晶耦合器30包括第一电极层31、第二电极
层33以及液晶层35。第一电极层31为一整层连续的、透明的导电板，用于接收一公共电压。第二电极层33包括多个相互绝缘的电极组331，每一电极组331用于接收偏转电压。第二电极层33还包括用于承载多个电极组331的基板337，基板337为透明的绝缘材料制成。
56.在一实施例中，液晶层35位于第一电极层31和第二电极层33之间。液晶层35包括多个液晶分子351，每一液晶分子351根据第一电极层31接收的公共电压和电极组331接收的偏转电压进行偏转，由于第一电极层31接收的公共电压处处相同，因此可以通过调整第二电极层33中每一电极组331接收的偏转电压来调整不同区域的液晶分子351的偏转程度。当图像光照射至液晶层35中时，会根据液晶层35中的多个液晶分子351的偏转程度的不同发生不同程度的偏转。因此可以通过控制偏转电压进而控制图像光的偏转程度，从而调整图像光从液晶耦合器30出射时的出射角θ。
57.在一实施例中，请参阅图3，显示系统10包括多个像素11，每一像素11单独发出一子光线，多个像素11发出的多个子光线共同构成图像光。每一子光线入射至一电极组331中，并通过电极组331与第一电极层31之间被偏转的多个液晶分子351，从而以一出射角从液晶耦合器30中出射。
58.在一实施例中，每一像素11内可以包括一个或多个主动发光元件，如有机发光二极管或微型发光二极管，也可以是一激光源或滤光片与背光的组合。每一像素11内还可以包括用于控制发光元件发光状态的控制电路，可以控制像素11发出的子光线的强度。
59.在一实施例中，请参阅图4，每一电极组331包括多个相互绝缘的电极对333，每一电极对333包括两个电极块335。每一电极块335与第一电极层31之间均包括多个液晶分子351。每一电极对333中的两个电极块335用于接收大小相同的偏转电压。
60.在一实施例中，各个电极组331中的电极对333的数量相同，且各个电极对333中电极块335的结构相同。以下以其中一个电极组331的结构作示例性说明。
61.在一实施例中，请继续参阅图4，电极组331中包括四个电极对333，每一电极对333中的电极块335关于电极组331的几何中心成中心对称。在其他实施例中，电极组331还可以包括至少两个电极对333，且每一电极对333中的电极块335关于电极组331的几何中心成中心对称。
62.在一实施例中，请一并参阅图4和图5，对电极组331中电极对333施加不同的偏转电压，具体为不对电极组331中的一个电极对333a的两个电极块335a施加电压，对另外三个电极对333的电极块335施加相同的偏转电压，在偏转电压和公共电压的影响下，位于电极组331和第一电极层31之间的液晶分子351部分发生偏转，其中电极对333a对应的部分液晶分子351a不发生偏转，其余三个电极对333对应的液晶分子发生偏转，当子光线通过电极组331对应的部分液晶层35时，子光线的传输方向在多个偏转状态不同的液晶分子351的影响下发生偏转。
63.本技术实施例通过设置一包括四个电极对333的电极组331，并对其中三个电极对333施加相同的偏转电压，一个电极对333a不施加电压，可以改变电极组331与第一电极层31之间的电场分布，使电极组331对应的部分液晶层35中的多个液晶分子351发生不同程度的偏转，当光线通过液晶层35时，在多个液晶分子351的作用下会发生偏转，从而实现改变出射角度的效果。
64.在其他实施例中，还可以通过调整每一电极对333上的偏转电压，从而改变电极组
331整体的电场分布，进而改变液晶层35中多个液晶分子351的偏转状态，从而使通过液晶层35的子光线发生不同程度的偏转，为实现使子光线偏转，一电极组331中至少需要有一电极对333的偏转电压与其他电极对333的偏转电压不同。也即，通过使多个电极对333之间存在电压差，即可使电极组331整体的电场发生改变，从而使子光线发生偏转。
65.在一实施例中，每一电极组331可以使每一子光线发生不同程度的偏转，从而实现透镜的效果，使图像光整体从液晶耦合器30输出时，图像光的横截面可以被整体放大或缩小，并以一定的角度入射至输入耦合光栅50中。
66.在一实施例中，图像光从液晶耦合器30中出射，经过波导70后入射至输入耦合光栅50中，输入耦合光栅50可以为可调节液晶布拉格光栅、可调节微电机系统光栅、可调谐布拉格光栅或其他类型的光栅。输入耦合光栅50用于将图像光衍射并出射至波导70中。
67.在一实施例中，液晶耦合器30与波导70之间具有一空气间隔，使得图像光从液晶耦合器30出射后经过更长的光路到达波导70，图像光能具有更大程度的偏转。
68.在一实施例中，输入耦合光栅50设于波导70远离液晶耦合器30的一侧，且与波导70贴合，输入耦合光栅50接收图像光后以反射的方式输出衍射后的图像光。在其他实施例中，输入耦合光栅50还可以设于波导70靠近液晶耦合器30的一侧，在接收图像光后以透射的方式出射衍射后的图像光。
69.在一实施例中，波导70可由透明材料如玻璃或塑料制成，图像光在波导70中以全反射的方式传输至输出耦合光栅90中，输出耦合光栅90可以为可调节液晶布拉格光栅、可调节微电机系统光栅、可调谐布拉格光栅或其他类型的光栅。输出耦合光栅90将图像光耦合出波导70，并形成一增强现实的图像，使得眼睛a可以看到显示系统10出射的图像。
70.在一实施例中，输出耦合光栅90设于波导70远离液晶耦合器30的一侧，且与波导70贴合，输出耦合光栅90接收图像光后以反射的方式输出图像光。同时，输出耦合光栅90还可以透射远离波导70一侧的自然光线，使眼睛a可以同时接收图像光和从输出耦合光栅90透射出的自然光线。
71.在一实施例中，经由液晶耦合器30出射的图像光，以不同的角度入射至输入耦合光栅50中，使输入耦合光栅50以不同的角度输出图像光，经过波导70的传输之后，以不同的角度从输出耦合光栅90中出射。也即，经过传输的图像光，在显示的图像的fov不变的情况下，通过液晶耦合器30改变出射角θ，可以使图像光从输出耦合光栅90以不同的角度耦出入射至眼睛a，扩大了eye box的范围，从而使头戴式显示器100显示的图像具有大范围的eye box，提高了显示的效果，有利于避免增大fov时导致eye box减小的技术问题。
72.在一实施例中，显示系统10出射的图像光中包括三种基色光，三种基色光的波长不同，因此在经过液晶耦合器30、输入耦合光栅50、波导70和输出耦合光栅90的传播后，最后的出射角也不同。可通过按时段分别输出三种基色光的方法，将每一时段输出到眼睛a中的基色光调整为同一出射角耦出。在其他实施例中，还可以直接调整每一基色光从液晶耦合器30中输出的出射角，使输出到眼睛a中的三种基色光为同一出射角耦出。
73.在一实施例中，头戴式显示器100还包括用于承载显示系统10、液晶耦合器30、输入耦合光栅50、波导70和输出耦合光栅90的支架(图未示)，所述支架还用于将头戴式显示器100固定到使用者的头部，使眼睛a可以接收到输出耦合光栅90耦出的图像光的位置。
74.本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本技术，
而并非用作为对本技术的限定，只要在本技术的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本技术要求保护的范围之内。