CN106249415A - 一种ar显示装置及头戴式ar显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种AR显示装置及头戴式AR显示设备，包括：第一棱镜、第二棱镜和显示屏；第一棱镜包括第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元；第一透镜单元靠近显示屏，第一透镜单元与显示屏同轴设置，第一透镜单元的光轴与第二透镜单元的光轴相交；反射单元包括一个斜面；第二棱镜为球面棱镜，第二棱镜包括一个入光面和一个斜面，斜面与反射单元的斜面胶合形成一胶合面；其中，反射单元的斜面与第二棱镜的斜面中的至少一个的表面，镀有同时具有透射和反射功能的材料，使得胶合面的透射率与反射率满足设定条件。上述AR显示装置具有小体积、大视角和校正色差的特点。

Description

一种AR显示装置及头戴式AR显示设备

技术领域

本发明实施例涉及显示技术领域，尤其涉及一种AR显示装置及头戴式AR显示设备。

背景技术

AR，(Augmented Reality)，即增强现实，也被称之为混合现实。它通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。AR游历于虚拟现实和真实之间，它不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形多重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。

增强现实显示技术，综合了计算机图形技术，计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术，它在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，能使用户具有身临其境的沉浸感，具有与环境完善的交互作用能力，并有助于启发构思。

但是目前AR设备的视角普遍较小，多数在20-30°左右，大大的影响了视觉效果及与现实世界的交互体验。为了改善用户体验，小型化、轻量化和大视场角是AR显示设备亟需解决的问题。

发明内容

本发明提供一种AR显示装置及头戴式AR显示设备，以得到结构紧凑、轻量化和大视场角的小型化头戴式AR显示设备。

本发明实施例提供一种增强现实AR显示装置，包括：

第一棱镜(2)、第二棱镜和显示屏(4)；

所述第一棱镜(2)包括第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元；所述第一透镜单元靠近所述显示屏(4)，所述第一透镜单元与所述显示屏(4)同轴设置，所述第一透镜单元的光轴与所述第二透镜单元的光轴相交；其中，所述第一棱镜(2)为双球面棱镜，所述第一透镜单元和所述第二透镜单元均为球面透镜；所述反射单元位于所述第一透镜单元与所述第二透镜单元之间，所述反射单元包括一个斜面；

所述第二棱镜为球面棱镜，所述第二棱镜包括一个入光面(S4)和一个斜面，所述斜面与所述反射单元的斜面胶合形成一胶合面(S7)，所述入光面(S4)为球面，所述入光面(S4)的光轴与所述第二透镜单元的光轴平行；

其中，所述反射单元的斜面与所述第二棱镜的斜面中的至少一个的表面镀有同时具有透射和反射功能的材料，使得所述胶合面(S7)的透射率与反射率满足设定条件。

进一步地，所述第二棱镜为双胶合棱镜；所述第二棱镜由第一球面棱镜(5)和第二球面棱镜(6)胶合而成；

所述第一球面棱镜(5)包括第一球面、第一斜面，以及用于与所述第二球面棱镜(6)贴合的第一表面；其中，所述第一斜面与所述反射单元的斜面胶合，构成所述胶合面(S7)；

所述第二球面棱镜(6)包括第二球面、第二斜面，以及用于与所述第一球面棱镜(5)贴合的第二表面；所述第二球面为所述入光面(S4)；

所述第一表面和所述第二表面胶合，使所述第一球面的光轴与所述第二球面的光轴平行；

其中，所述第二斜面上镀有反射材料以形成第一反射面(S6)，所述第一球面上镀有反射材料以形成第二反射面(S5)。

进一步地，还包括第一透镜(1)，所述第一透镜(1)靠近所述第二透镜单元，并与所述第二透镜单元同轴设置。

进一步地，还包括第二透镜(3)；

所述第二透镜(3)位于所述显示屏(4)和所述第一棱镜(2)之间，所述第二透镜(3)为双凹面透镜，所述第二透镜(3)靠近所述第一棱镜(2)的一个凹面与所述第一透镜单元的球面(S2)胶合。

进一步地，所述第一透镜单元的光轴与所述第二透镜单元的光轴垂直，所述胶合面(S7)分别与所述第一透镜单元的光轴、所述第二透镜单元的光轴成45°夹角。

进一步地，所述第一斜面与所述第一球面的光轴之间的夹角为45°；所述第二斜面与所述第二球面的光轴之间的夹角为45°。

进一步地，所述第二球面为凸面，所述第二球面上镀有减反膜，形成的所述入光面(S4)为全透射面。

进一步地，所述第二斜面上镀有全反射膜，形成的所述第一反射面(S6)为全反射面。

进一步地，所述第一球面为凸面，所述第一球面的凸面上镀有全反射膜，形成的所述第二反射面(S5)为全反射面。

进一步地，所述第一表面和所述第二表面中的至少一个的表面镀有减反膜。

进一步地，所述胶合面(S7)为半透半反面。

进一步地，所述第一透镜(1)为正透镜，所述第一透镜(1)靠近所述第二透镜单元的一面为凸面，所述凸面为非球面；所述第一透镜(1)远离所述第二透镜单元的一面为凹面，所述凹面为非球面或球面。

进一步地，所述第一棱镜(2)为所述第一透镜单元、所述第二透镜单元和所述反射单元结合而成的一体结构；或者，

所述第一棱镜(2)为所述第一透镜单元、所述第二透镜单元分别与所述反射单元胶合而成的双球面胶合棱镜。

本发明实施例提供一种增强现实AR显示设备，包括上述实施例中的任一AR显示装置。

上述实施例中，第一棱镜(2)和第二棱镜胶合，第一棱镜(2)包括两个球面和一个斜面，即第一透镜单元的球面(S2)、第二透镜单元的球面(S1)和反射单元的斜面；第二棱镜包括一个球面和一个斜面，第一棱镜(2)的斜面与第二棱镜的斜面胶合形成一胶合面(S7)，因第一棱镜(2)的斜面、第二棱镜的斜面中的至少一个镀有同时具有反射和透射的材料，使得无论是透射进第一棱镜(2)的光线，还是透射进第二棱镜的光线，在胶合面(S7)既能发生透射又能发生反射。由于第一棱镜(2)包括两个球面，第二棱镜的入光面(S4)也为球面，第一棱镜(2)的两个球面和入光面(S4)的光轴沿不同方向都与胶合面(S7)相交，使得一部分来自显示屏(4)的虚拟现实图像光，从第一透镜单元的球面(S2)透射和放大后，透射进反射单元，并在胶合面(S7)发生反射，一部分来自真实环境的真实图像光，从第二棱镜的入光面(S4)透射和放大后，透射进第二棱镜，并在胶合面(S7)发生透射，在胶合面(S7)发生透射的真实图像光与在胶合面(S7)发生反射的虚拟现实图像光混合叠加后，经第二透镜单元的球面(S1)发生透射和放大后，得到一放大的混合图像。

第一棱镜(2)将两个球面和一个具有透射、反射作用的斜面集成在一个器件中，第二棱镜将一个球面和一个同时具有透射、反射作用的斜面集成在一个器件中，具有以下作用：其一，胶合面(S7)具有光线转向作用，实现了透射进第一棱镜(2)的光线的转向，避免了光学透镜系统单方向长度过长，使光学透镜系统的体积更小，更轻便；其二，从第二棱镜透射到胶合面(S7)的真实图像光与在胶合面(S7)发生反射的反射光能够混合和叠加，能够将进入第一棱镜(2)的虚拟现实图像和真实图像进行融合；其三，将第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元集成在第一棱镜(2)中，以及将第一棱镜(2)和第二棱镜胶合，能够减少透镜数量和节约透镜的装配空间，实现了整个光学透镜系统的体积小型化。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1a至图7为本发明实施例提供的一种增强现实AR显示装置的结构示意图；

图8至图9为本发明实施例提供的一种增强现实AR显示装置的光路示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术实施例以及有效果更加清楚明白，以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

值得说明的是，本发明实施例中，为了方便描述第一棱镜和第二棱镜的相关棱面，用“第一”和“第二”描述具有相同功能或相同特征的棱面，并不包含第一棱镜和第二棱镜中具有多个这些棱面的含义。

实施例1

如图1a所示，本发明实施例提供一种增强现实AR显示装置，包括：第一棱镜(2)、第二棱镜100和显示屏(4)；

第一棱镜(2)包括第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元；第一透镜单元靠近显示屏(4)，第一透镜单元与显示屏(4)同轴设置，第一透镜单元的光轴与第二透镜单元的光轴相交；其中，第一棱镜(2)为双球面棱镜，第一透镜单元和第二透镜单元均为球面透镜；反射单元位于第一透镜单元与第二透镜单元之间，反射单元包括一个斜面；

第二棱镜100为球面棱镜，第二棱镜100包括一个入光面(S4)和一个斜面，第二棱镜100的斜面与反射单元的斜面胶合形成一胶合面(S7)，入光面(S4)为球面，入光面(S4)的光轴与第二透镜单元的光轴平行；

其中，反射单元的斜面与第二棱镜100的斜面中的至少一个的表面镀有同时具有透射和反射功能的材料，使得胶合面(S7)的透射率与反射率满足设定条件。

上述功能膜的透射率与反射率之比满足设定条件，如透射率为60％，反射率为40％，或者透射率为40％，反射率为60％。上述胶合面(S7)的透射率与反射率可以相等，透射率与反射率之比也可以取其他值，如4:3等。功能膜的透射率与反射率之比满足的设定条件也可以是其他值，使得在功能膜表面发生反射的反射光和在功能膜表面发生透射的透射光的比例相当。

优选的，功能膜为半反半透介质膜，半反半透介质膜为氧化锆和/或氧化硅。半透半反射介质膜的反射率和透过率为1:1，用于将入射到第一凹面的光线一半发生反射，一半发生透射。

上述AR显示装置中，显示屏采用0.7寸或0.5寸屏，随着光学器件尺寸的改变，显示屏的大小还可以采用其他任意适用的尺寸规格。

显示屏(4)发出的图像光为虚拟现实图像光。从第二棱镜的入光面(S4)透射进的光为真实环境的真实图像光，第一棱镜(2)的两个球面和入光面(S4)的光轴沿不同方向都与胶合面(S7)相交，使得胶合面(S7)实现了虚拟现实图像光与真实图像光的混合和叠加。

优选的，第一棱镜(2)选择高折射率、高色散系数玻璃来制作，优选的，第一棱镜(2)为第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元结合而成的一体结构，第一棱镜(2)包括两个球面和一些斜面，两个球面分别是第一透镜单元的球面(S2)、第二透镜单元的球面(S1)，将第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元结合为一体结构，如图1a所示，能避免装配误差，有利于AR显示装置的体积紧凑。第二棱镜100的斜面与反射单元的斜面胶合，也能够减小整个AR显示装置的装配误差。

第一透镜单元和第二透镜单元均为球面透镜，第一透镜单元可以是凸透镜(如图1a)，也可以是凹透镜(如图1b)，当第一透镜单元的球面为凸面时，会显示屏的尺寸有所限制，不能过大，这样就要求提高显示屏的分辨率，同时产生的色差也较大，因此，为了减小显示屏以及整个显示装置的体积，需要在光学系统中设置透镜进行程度更高的色差校正，如在显示屏和第一透镜之间设置一个用于校正色差的透镜；当第一透镜单元的球面为凹面时，可以适应更大的显示屏，同时可以消除色差。

可选的，上述AR显示装置中，第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元也可以是单一的透镜，第一棱镜(2)也可以为第一透镜单元、第二透镜单元分别与反射单元胶合而成的双球面胶合棱镜。

反射单元包括一个斜面，反射单元上镀有反射材料以形成一反射面，是指在反射单元的斜面上镀具有高反射率的薄膜，形成一个反射面。如果第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元是单一的透镜，那么反射单元相当于一个三棱镜，反射单元与第一透镜单元、第二透镜单元的胶合面是指，与三棱镜的斜面相对的两个矩形面，反射单元的反射面是通过三棱镜的斜面上镀具有高反射率的薄膜而形成的。

第一透镜单元的球面(S2)为凸面(或者凹面)，使得来自显示屏的虚拟现实图像光经第一透镜单元的球面(S2)后成放大的虚像，第一透镜单元的球面(S2还可以校正一部分像差。第二透镜单元的球面(S1)为凸面(或者凹面)，使得虚拟现实图像在反射面反射后，经第二透镜单元的球面(S1)时，在第二透镜单元的球面(S1)再次被放大。

第一透镜单元的球面(S2)和第二透镜单元的球面(S1)曲率可以相同，也可以不同。

优选的，上述AR显示装置的第一棱镜(2)中，第一透镜单元的球面(S2)和第二透镜单元的球面(S1)的曲率相同。

优选的，为了增加光的透过率，第一透镜单元的球面(S2)和第二透镜单元的球面(S1)的表面镀有相同规格的减反膜，减反膜可以为三层膜架构，最外层可以是增透λ/4波长的氟化镁MgF2、中间层是增透λ/2波长的氧化锆ZrO2，最内层紧靠玻璃基板的是增透λ/4波长的氟化铈CeF3，也可以是其他现成设计好的减反膜，其中λ为可见光波长，比如λ＝550nm。减反膜也可以是其他现成设计好的减反膜。

因PMMA(Polymethyl Methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)具有易加工，密度仅为常用玻璃的一半的特点，为保证上述AR显示装置的结构紧凑，缩小体积，同时减轻重量，本发明实施例中的第一棱镜(2)和第二棱镜100的玻璃材质选用PMMA，俗称有机玻璃。

第一棱镜(2)的斜面、第二棱镜100的斜面中的至少一个镀有同时具有反射和透射的材料，使得无论是透射进第一棱镜(2)的光线，还是透射进第二棱镜100的光线，在胶合面(S7)既能发生透射又能发生反射。

优选实施例中，第一棱镜(2)的反射单元的斜面上镀有半反半透膜，使得胶合面(S7)为半反半透面。半透半反射膜的反射率和透过率为1:1，用于将入射到第一凹面的光线一半发生反射，一半发生透射。

由于第一棱镜(2)的两个球面和入光面(S4)的光轴沿不同方向都与胶合面(S7)相交，使得一部分来自显示屏(4)的虚拟现实图像光，从第一透镜单元的球面(S2)透射和放大后，透射进反射单元，并在胶合面(S7)发生反射，一部分来自真实环境的真实图像光，从第二棱镜100的入光面(S4)透射和放大后，透射进第二棱镜100，并在胶合面(S7)发生透射，在胶合面(S7)发生透射的真实图像光与在胶合面(S7)发生反射的虚拟现实图像光混合叠加后，经第二透镜单元的球面(S1)发生透射和放大后，得到一放大的混合图像。

优选实施例中，第一透镜单元的光轴与第二透镜单元的光轴垂直，胶合面(S7)分别与第一透镜单元的光轴、第二透镜单元的光轴成45°夹角。

优选实施例中，第二棱镜100的入光面(S4)的球面的光轴与胶合面(S7)的夹角为45°。

优选实施例中，第二棱镜100的入光面(S4)为全透射面。

第一棱镜(2)为第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元组合成的一体结构，或者第一棱镜(2)为第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元胶合而成的双球面胶合棱镜。

上述AR现实装置中，显示屏(4)、第一透镜单元构成一个虚拟图像物镜组，使得来自显示屏(4)的虚拟现实图像光从第一透镜单元透射后，透射到胶合面(S7)并在胶合面(S7)上发生反射；

第二棱镜100构成一个真实图像物镜组，使得来自真实世界的真实图像光从入光面(S4)透射和放大后，在胶合面(S7)上发生透射；

反射单元、第二透镜单元构成一个真实虚拟混合目镜组，使得在胶合面(S7)发生反射的虚拟现实图像光与发生透射的真实图像光进行混合和叠加，然后经第二透镜单元的透射和放大后，得到一个虚拟现实图像与真实图像叠加后的放大图像。

实施例2

如图2所示，本发明实施例提供一种增强现实AR显示装置，用以减小第一棱镜(2)的体积，包括：第一棱镜(2)、第二棱镜100和显示屏(4)；还包括：第一透镜(1)，第一透镜(1)靠近第二透镜单元，并与第二透镜单元同轴设置。

第一棱镜(2)、第二棱镜100和显示屏(4)的具体内容，参见上述实施例，此处不再累述。

对于第一透镜(1)，第一透镜(1)为正透镜，第一透镜(1)靠近第二透镜单元的一面为凸面，凸面为非球面；第一透镜(1)远离第二透镜单元的一面为凹面，凹面为非球面或球面。

增加第一透镜(1)的目的是：

其一，与第二透镜单元的球面(S1)配合减小一部分色差；

其二，与第二棱镜100(2)配合，通过第一透镜(1)的焦距，来调整由第二棱镜100(2)与第一透镜(1)构成的光学透镜系统的整体焦距，进而增大AR显示装置的视场角。

依据实际需要，第一棱镜(2)和第一透镜(1)选用高折射率，高色散系数材料，二者配合可部分降低色差，例如，第一棱镜(2)的第二透镜单元的球面为凸面(沿光线透射方向为凹面)，第一透镜(1)靠近第二透镜单元的面形为凸面，第二透镜单元的凸面与第一透镜(1)的凸面配合，可以减小一部分色差。优选实施例中，第一透镜(1)为正透镜，第一透镜(1)靠近第二透镜单元的一面为凸面，凸面为非球面；第一透镜(1)远离第二透镜单元的一面为凹面，凹面为非球面或球面。因第一透镜(1)的光焦度主要由凸面承担，所以凸面曲率较大，所引起的初级，高级像差也较大，该凸面需采用非球面透镜，凹面配合凸面选择面型，如果凸面采用非球面可以使整体像差降至公差范围内，凹面可以采用球面，如果仍较大，或者无法降至合理范围，凹面也需要采用非球面。

为减小色差，第一透镜(1)采用PMMA为制作的非球面透镜，可以采用注塑等方式加工制作，使用非球面透镜可以有效的降低球差、彗差、像散。

优选实施例中，第一透镜(1)为PMMA材质的双非球面透镜，即第一透镜(1)的凸面和凹面都是非球面透镜。

为减少反射光，增加透光率，第一透镜(1)的通光面，即第一透镜(1)的凸面和凹面可以镀上可见光范围内的减反膜。第一透镜(1)的凸面和凹面中的至少一个镀有减反膜，减反膜可以为三层膜架构，最外层可以是增透λ/4波长的氟化镁MgF2、中间层是增透λ/2波长的氧化锆ZrO2，最内层紧靠玻璃基板的是增透λ/4波长的氟化铈CeF3，也可以是其他现成设计好的减反膜，其中λ为可见光波长，比如λ＝550nm，可根据设备的使用环境灵活选择λ值，以提高光的利用率。减反膜也可以是其他现成设计好的减反膜。

为保证整体体积的轻量化，同时具有较好的光学效果，要求第二透镜单元的球面(S1)中心点与反射面中心点间的距离，以及第一透镜单元的球面(S2)面中心点与反射面中心点间的距离，大于显示屏较长边宽度，但过大会导致整个光学透镜系统的体积大大增加。为使第一棱镜(2)体积又不至于过大，第一棱镜(2)材质选用高折射率，高色散系数材料，如选用折射率n_d大于1.7的PMMA玻璃。

为了增大光学透镜系统的视场角，需要在第二透镜单元和人眼之间增加焦距尽可能小的透镜，本发明实施例中，增加第一透镜(1)，用来与双球面棱镜(2)配合来调整光学透镜系统的整体焦距，优选方案中，与第一棱镜(2)配合的第一透镜(1)为正透镜，焦距要尽可能小，但焦距过小会导致像差校正困难。本发明实施例中，第一透镜(1)的焦距为f’，17mm<f’<30mm。为降低加工难度及高级像差，第一棱镜(2)的两个球面的曲率半径不宜过小，第二透镜单元的球面S1曲率半径的取值范围为：10mm<R<20mm，第一透镜单元的球面S2的曲率半径的取值范围为：10mm<R<20mm。

色差的减小和整个光学透镜系统的焦距的减小，使得整个AR显示装置的视场角变大，常规相同体积下的AR显示装置的视场角为40-50°，本发明实施例提供的AR显示装置的视场角可达到60-80°。

优选的，第一透镜单元的球面(S2)和第二透镜单元的球面(S1)的曲率半径为R1，10mm<R1<20mm。

上述AR现实装置中，显示屏(4)、第一透镜单元构成一个虚拟图像物镜组，使得来自显示屏(4)的虚拟现实图像光从第一透镜单元透射后，透射到胶合面(S7)并在胶合面(S7)上发生反射；

第二棱镜100构成一个真实图像物镜组，使得来自真实世界的真实图像光从入光面(S4)透射和放大后，在胶合面(S7)上发生透射；

反射单元、第二透镜单元和第一透镜(1)构成一个真实虚拟混合目镜组，使得在胶合面(S7)发生反射的虚拟现实图像光与发生透射的真实图像光进行混合和叠加，然后经第二透镜单元、第一透镜(1)的透射和放大后，得到一个虚拟现实图像与真实图像叠加后的放大图像。

实施例3

当第一透镜单元的球面为凸面时，会显示屏的尺寸有所限制，不能过大，这样就要求提高显示屏的分辨率，同时产生的色差也较大，因此，为了减小显示屏的体积，需要在光学系统中设置透镜进行程度更高的色差校正，如在显示屏和第一透镜之间设置一个用于校正色差的透镜。基于此，如图3所示，本发明实施例提供一种增强现实AR显示装置，包括：第一棱镜(2)、第二棱镜100和显示屏(4)，第一透镜(1)；还包括：第二透镜(3)；

第一棱镜(2)、第二棱镜100、显示屏(4)和第一透镜(1)的具体内容，参见上述实施例，此处不再累述。

对于第二透镜(3)，第二透镜(3)位于显示屏(4)和第一棱镜(2)之间，第二透镜(3)为双凹面透镜，第二透镜(3)靠近第一棱镜(2)的一个凹面与第一透镜单元的球面(S2)胶合，其中，第一透镜单元的球面(S2)为凸面。

当然，第二透镜(3)位于显示屏(4)和双球面棱镜(2)之间时，也可以不与双球面棱镜(2)胶合，第二透镜(3)与第一透镜单元同轴设置。

本发明实施例中，将第二透镜(3)与双球面棱镜(2)结合为双胶合球面棱镜，可减小装配空间，有利于减小VR显示装置的体积。

在显示屏和第一透镜单元之间增加一个第二透镜(3)的目的是减小光学透镜系统的色差，色差的减小和整个光学透镜系统的焦距的减小，使得整个AR显示装置的视场角变大，常规相同体积下的AR显示装置的视场角为40-50°，本发明实施例提供的AR显示装置的视场角可达到60-80°。

增加第二透镜(3)的，第二透镜(3)与第一棱镜(2)的第一透镜单元的球面(S2)相配合来减小色差，其一，第二透镜(3)的两个凹面具有互相抵消色差的作用；其二，第二透镜(3)与双球面棱镜(2)的第一透镜单元的球面(S2)相配合来减小色差；第二透镜(3)与第一透镜单元胶合的一面为凹面，第一透镜单元与第二透镜(3)胶合的一面为凸面，将第一透镜单元与第二透镜(3)胶合之后，第二透镜(3)的负色差与第一透镜单元的正色差互相抵消，进而降低光学透镜系统的整体色差。为了更好的降低光学透镜系统的整体色差，第二透镜(3)为双凹面透镜，并且两个凹面的曲率相同。

第二透镜(3)采用高折射率、低色散玻璃。为了得到结构更加紧凑的光学组件，第二透镜(3)与第一棱镜(2)组成双胶合球面棱镜，即第二透镜(3)的凹面与第一透镜单元的凸面紧密贴合，可以有效降低光学透镜系统色差，两者的色散系数相差越大，越利于色差校正，同时两者胶合在一起，更利于装配，降低装配公差。

优选实施例中，为了增加光透过率，第二透镜(3)的双凹面可以镀有减反膜，减反膜可以为三层膜架构，最外层可以是增透λ/4波长的氟化镁MgF2、中间层是增透λ/2波长的氧化锆ZrO2，最内层紧靠玻璃基板的是增透λ/4波长的氟化铈CeF3，也可以是其他现成设计好的减反膜，其中λ为可见光波长，比如λ＝550nm，可根据设备的使用环境灵活选择λ值，以提高光的利用率。减反膜也可以是其他现成设计好的减反膜。

同样为保证有足够空间摆放显示屏的屏幕，以及尽量的降低整个光学透镜系统的像差，第二透镜(3)靠近显示屏一侧的凹面(S3)的曲率半径的取值范围为10mm<R<20mm。

上述AR现实装置中，显示屏(4)、第二透镜(3)、第一透镜单元构成一个虚拟图像物镜组，使得来自显示屏(4)的虚拟现实图像光先从第二透镜(3)的两个凹面透射，抵消色差之后，在第一透镜单元进行透射和放大，最后透射到胶合面(S7)，并在胶合面(S7)上发生反射；

第二棱镜100构成一个真实图像物镜组，使得来自真实世界的真实图像光从入光面(S4)透射和放大后，在胶合面(S7)上发生透射；

反射单元、第二透镜单元和第一透镜(1)构成一个真实虚拟混合目镜组，使得在胶合面(S7)发生反射的虚拟现实图像光与发生透射的真实图像光进行混合和叠加，然后经第二透镜单元、第一透镜(1)的透射和放大后，得到一个虚拟现实图像与真实图像叠加后的放大图像。

实施例4

基于上述几种实施例，可对第二棱镜100进行扩展，得到新的AR显示装置，下面以实施例3的变形为例进行详细说明。

如图4所示，本发明实施例提供一种增强现实AR显示装置，包括：第一棱镜(2)、第二棱镜100，第一透镜(1)，第二透镜(3)和显示屏(4)。

其中，第一棱镜(2)、第一透镜(1)、第二透镜(3)和显示屏(4)的具体内容参见上述实施例，此处不再累述。

其中，第二棱镜100为双胶合棱镜，第二棱镜100由第一球面棱镜(5)和第二球面棱镜(6)胶合而成，将第一球面棱镜(5)和第二球面棱镜(6)胶合，然后再胶合形成的第二棱镜100与第一棱镜(2)胶合，有利于AR显示装置的结构紧凑，缩小体积，减轻重量。

具体的，如图4所示，第一球面棱镜(5)包括第一球面、第一斜面，以及用于与第二球面棱镜(6)贴合的第一表面；其中，第一斜面与反射单元的斜面胶合，构成胶合面(S7)。

第二球面棱镜(6)包括第二球面、第二斜面，以及用于与第一球面棱镜(5)贴合的第二表面；第二球面为入光面(S4)。

第一球面棱镜(5)与第二球面棱镜(6)胶合为第二棱镜100时，将第一球面棱镜(5)的第一表面和第二球面棱镜(6)的第二表面胶合，使第一球面棱镜(5)的第一球面的光轴，与第二球面棱镜(6)的第二球面的光轴平行。

其中，第二球面棱镜(6)中，第二斜面上镀有反射材料以形成第一反射面(S6)，第一球面棱镜(5)中，第一球面为凸面，第一球面上镀有反射材料以形成第二反射面(S5)。可选方案中，第一球面为也可以是凹面。

优选实施例中，入光面(S4)为全透射面，第一反射面(S6)为全反射面。

具体的，第二球面棱镜(6)中，第二球面为凸面，该凸面为球面、非球面或自由曲面；第二球面的凸面上镀有减反膜，以使形成的入光面(S4)为全透射面；第二斜面上镀有全反射膜，反射材料为镀银反射膜或其他金属介质反射膜，以使形成的第一反射面(S6)为全反射面，使得来自真实世界的真实图像光从入光面(S4)全部透过，经第二球面后成倒立的实像，倒立的实像，经第一反射面(S6)的反射后成正立的实像。可选方案中，第二球面为也可以是凹面。

优选的实施例中，第二反射面(S5)为全反射面，第一斜面上镀有半反半透膜，使得胶合面(S7)为半透半反面。半反半透介质膜为氧化锆和/或氧化硅。半透半反射介质膜的反射率和透过率为1:1，用于将入射到第一凹面的光线一半发生反射，一半发生透射。

具体的，第一球面棱镜(5)中，第一球面朝向第一斜面(或者胶合面S7)的一面为凹面，第一球面为凸面，该凸面为球面、非球面或自由曲面，第一球面的凸面上镀有全反射膜，以使形成的第二反射面(S5)为全反射面；第一斜面上镀有半反半透膜，使得经第一反射面(S6)后形成的正立的实像，经胶合面(S7)的反射、第二反射面(S5)全反射后，形成初步放大的实像，初步放大的实像返回并透过胶合面(S7)。

优选的实施例中，第一球面棱镜(5)的第一表面和第二球面棱镜(6)的第二表面的至少一个的表面上镀有减反膜，减反膜可以为三层膜架构，最外层可以是增透λ/4波长的氟化镁MgF2、中间层是增透λ/2波长的氧化锆ZrO2，最内层紧靠玻璃基板的是增透λ/4波长的氟化铈CeF3，也可以是其他现成设计好的减反膜，其中λ为可见光波长，比如λ＝550nm，可根据设备的使用环境灵活选择λ值，以提高光的利用率。减反膜也可以是其他现成设计好的减反膜。优选实施例中，第一斜面与第一球面的光轴之间的夹角为45°；第二斜面与第二球面的光轴之间的夹角为45°。

优选实施例中，对于第一棱镜(2)，第一透镜单元和第二透镜单元均为球面透镜，第一透镜单元的光轴与第二透镜单元的光轴垂直，第一透镜单元的光轴与第二透镜单元的光轴垂直，胶合面(S7)分别与第一透镜单元的光轴、第二透镜单元的光轴成45°夹角。

对于第一棱镜(2)，第一透镜单元的球面(S2)为凸面，第一透镜单元的球面(S2)的光轴与胶合面(S7)相交，使得虚拟现实图像光经第一透镜单元后成放大的虚像，放大的虚像在胶合面(S7)处发生反射后，与透过胶合面(S7)的放大的真实图像叠加。

对于第一棱镜(2)，第二透镜单元的球面(S1)为凸面，第二透镜单元的球面(S1)的光轴与胶合面(S7)相交，使得叠加在一起的虚拟现实图像和真实图像，在第二透镜单元的球面(S1)的凸面再次被放大。

对于第一透镜(1)，第一透镜(1)为正透镜，第一透镜(1)靠近第二透镜单元的一面为凸面，凸面为非球面；第一透镜(1)远离第二透镜单元的一面为凹面，凹面为非球面或球面。第一透镜(1)与第一棱镜(2)的第二透镜单元配合，减小一部分色差；第一透镜(1)与第二棱镜100(2)配合，通过减小第一透镜(1)的焦距，来减小第二棱镜100(2)与第一透镜(1)的整体焦距，进而有利于增大AR显示装置的视场角。

对于第二透镜(3)，第二透镜(3)位于显示屏(4)和第一棱镜(2)之间，其中，第二透镜(3)为双凹面透镜，第二透镜(3)靠近第一棱镜(2)的一个凹面与第一透镜单元的球面(S2)胶合。第二透镜(3)采用高折射率、低色散玻璃。为了得到结构更加紧凑的光学组件，第二透镜(3)的凹面与第一透镜单元的凸面紧密贴合，可以有效降低光学透镜系统色差，两者的色散系数相差越大，越利于色差校正，同时两者胶合在一起，更利于装配，降低装配公差。

为保证视角，由第一透镜(1)，第一棱镜(2)和第二透镜(3)组合的光学透镜系统的整体焦距应尽可能小，但是过小会导致像差过大，并且轻微晃动可能导致像质发生较大变化，本发明实施例提供的由第一透镜(1)，第一棱镜(2)和第二透镜(3)组合的光学透镜系统的焦距范围为：15mm<f<25mm。由第一球面棱镜(5)、第二球面棱镜(6)、第二透镜单元、第一透镜(1)组成的光学透镜系统应为远心光学系统，对无穷远处成像，焦距过大会导致视角过小，焦距过小会导致畸变、色差等像差过大，故经试验验证，由第一球面棱镜(5)、第二球面棱镜(6)、第二透镜单元、第一透镜(1)组成的光学透镜系统的整体焦距的合适范围为：20mm<f’<30mm。由第一棱镜(2)，第二棱镜100，第一透镜(1)，第二透镜(3)和显示屏(4)构成的AR现实装置的体积为16mm*28mm*15mm左右。

上述AR现实装置的光路示意图参见图9，其中，显示屏(4)、第二透镜(3)、第一透镜单元构成一个虚拟图像物镜组，使得来自显示屏(4)的虚拟现实图像光先从第二透镜(3)的两个凹面透射，抵消色差之后，在第一透镜单元进行透射和放大，最后透射到胶合面(S7)，并在胶合面(S7)上发生反射；

第一球面棱镜(5)和第二球面棱镜(6)构成真实图像物镜组，使得来自真实世界的真实图像光从入光面(S4)透射后，先后经第一反射面(S6)的反射、胶合面(S7)的反射、第二反射面(S5)的反射后，返回并透过胶合面(S7)；

反射单元、第二透镜单元和第一透镜(1)构成真实虚拟混合目镜组，使得在胶合面(S7)发生反射的虚拟现实图像光与透射到胶合面(S7)上的真实图像光混合和叠加，并经第二透镜单元和第一透镜(1)的透射和放大后，得到一个虚拟现实图像与真实图像叠加后的放大图像。

实施例5

基于上述实施例，本发明实施例还提供一种如图5所示的AR显示设备，包括：第一棱镜(2)、显示屏(4)、第一球面棱镜(5)和第二球面棱镜(6)。

其中，第一棱镜(2)、显示屏(4)、第一球面棱镜(5)和第二球面棱镜(6)的具体内容参见前述实施例，此处不再累述。

从显示屏(4)发出的图像光为虚拟现实图像光，从第二球面棱镜(6)的入光面(S4)透射进的光为真实环境的真实图像光，因第一棱镜(2)的两个球面和入光面(S4)的光轴沿不同方向都与胶合面(S7)相交，胶合面(S7)实现了虚拟现实图像光与真实图像光的混合和叠加。

对于第一棱镜(2)，将两个球面和一个具有透射、反射作用的斜面集成在一个器件中，第二棱镜将一个球面和一个同时具有透射、反射作用的斜面集成在一个器件中，具有以下作用：其一，胶合面(S7)具有光线转向作用，实现了透射进第一棱镜(2)的光线的转向，避免了光学透镜系统单方向长度过长，使光学透镜系统的体积更小，更轻便；其二，从第二棱镜透射到胶合面(S7)的真实图像光与在胶合面(S7)发生反射的反射光能够混合和叠加，能够将进入第一棱镜(2)的虚拟现实图像和真实图像进行融合；其三，将第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元集成在第一棱镜(2)中，以及将第一棱镜(2)和第二棱镜胶合，能够减少透镜数量和节约透镜的装配空间，实现了整个光学透镜系统的体积小型化。

上述AR现实装置中，显示屏(4)、第一透镜单元构成一个虚拟图像物镜组，使得来自显示屏(4)的虚拟现实图像光在第一透镜单元进行透射和放大后，透射到胶合面(S7)，并在胶合面(S7)上发生反射；

第一球面棱镜(5)和第二球面棱镜(6)构成真实图像物镜组，使得来自真实世界的真实图像光从入光面(S4)透射后，先后经第一反射面(S6)的反射、胶合面(S7)的反射、第二反射面(S5)的反射后，返回并透过胶合面(S7)；

反射单元、第二透镜单元构成真实虚拟混合目镜组，使得在胶合面(S7)发生反射的虚拟现实图像光与透射到胶合面(S7)上的真实图像光混合和叠加，并经第二透镜单元的透射和放大后，进入人眼的是虚拟现实图像与真实图像叠加后的放大图像。

实施例6

基于上述实施例，本发明实施例还提供一种如图6所示的AR显示设备，包括：第一透镜(1)，第一棱镜(2)、显示屏(4)、第一球面棱镜(5)和第二球面棱镜(6)。

其中，第一透镜(1)，第一棱镜(2)、显示屏(4)、第一球面棱镜(5)和第二球面棱镜(6)的具体内容参见前述实施例，此处不再累述。

从显示屏(4)发出的图像光为虚拟现实图像光，从第二球面棱镜(6)的入光面(S4)透射进的光为真实环境的真实图像光，因第一棱镜(2)的两个球面和入光面(S4)的光轴沿不同方向都与胶合面(S7)相交，胶合面(S7)实现了虚拟现实图像光与真实图像光的混合和叠加。

对于第一棱镜(2)，将两个球面和一个具有透射、反射作用的斜面集成在一个器件中，第二棱镜将一个球面和一个同时具有透射、反射作用的斜面集成在一个器件中，具有以下作用：其一，胶合面(S7)具有光线转向作用，实现了透射进第一棱镜(2)的光线的转向，避免了光学透镜系统单方向长度过长，使光学透镜系统的体积更小，更轻便；其二，从第二棱镜透射到胶合面(S7)的真实图像光与在胶合面(S7)发生反射的反射光能够混合和叠加，能够将进入第一棱镜(2)的虚拟现实图像和真实图像进行融合；其三，将第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元集成在第一棱镜(2)中，以及将第一棱镜(2)和第二棱镜胶合，能够减少透镜数量和节约透镜的装配空间，实现了整个光学透镜系统的体积小型化。

对于第一透镜(1)，第一透镜(1)为正透镜，第一透镜(1)靠近第二透镜单元的一面为凸面，凸面为非球面；第一透镜(1)远离第二透镜单元的一面为凹面，凹面为非球面或球面。第一透镜(1)与第一棱镜(2)的第二透镜单元配合，减小一部分色差；第一透镜(1)与第二棱镜100(2)配合，通过减小第一透镜(1)的焦距，来减小第二棱镜100(2)与第一透镜(1)的整体焦距，进而有利于增大AR显示装置的视场角。

上述AR现实装置的光路示意图参见图8，其中，显示屏(4)、第二透镜(3)、第一透镜单元构成一个虚拟图像物镜组，使得来自显示屏(4)的虚拟现实图像光先从第二透镜(3)的两个凹面透射，抵消色差之后，在第一透镜单元进行透射和放大，最后透射到胶合面(S7)，并在胶合面(S7)上发生反射；

第一球面棱镜(5)和第二球面棱镜(6)构成真实图像物镜组，使得来自真实世界的真实图像光从入光面(S4)透射后，先后经第一反射面(S6)的反射、胶合面(S7)的反射、第二反射面(S5)的反射后，返回并透过胶合面(S7)；

反射单元、第二透镜单元和第一透镜(1)构成真实虚拟混合目镜组，使得在胶合面(S7)发生反射的虚拟现实图像光与透射到胶合面(S7)上的真实图像光混合和叠加，并经第二透镜单元和第一透镜(1)的透射和放大后，进入人眼的是虚拟现实图像与真实图像叠加后的放大图像。

实施例7

基于上述实施例，本发明实施例还提供一种如图7所示的AR显示设备，包括：第一棱镜(2)、第二透镜(3)、显示屏(4)、第一球面棱镜(5)和第二球面棱镜(6)。

其中，第一棱镜(2)、第二透镜(3)、显示屏(4)、第一球面棱镜(5)和第二球面棱镜(6)的具体内容参见前述实施例，此处不再累述。

从显示屏(4)发出的图像光为虚拟现实图像光，从第二球面棱镜(6)的入光面(S4)透射进的光为真实环境的真实图像光，因第一棱镜(2)的两个球面和入光面(S4)的光轴沿不同方向都与胶合面(S7)相交，胶合面(S7)实现了虚拟现实图像光与真实图像光的混合和叠加。

对于第一棱镜(2)，将两个球面和一个具有透射、反射作用的斜面集成在一个器件中，第二棱镜将一个球面和一个同时具有透射、反射作用的斜面集成在一个器件中，具有以下作用：其一，胶合面(S7)具有光线转向作用，实现了透射进第一棱镜(2)的光线的转向，避免了光学透镜系统单方向长度过长，使光学透镜系统的体积更小，更轻便；其二，从第二棱镜透射到胶合面(S7)的真实图像光与在胶合面(S7)发生反射的反射光能够混合和叠加，能够将进入第一棱镜(2)的虚拟现实图像和真实图像进行融合；其三，将第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元集成在第一棱镜(2)中，以及将第一棱镜(2)和第二棱镜胶合，能够减少透镜数量和节约透镜的装配空间，实现了整个光学透镜系统的体积小型化。

对于第二透镜(3)，第二透镜(3)位于显示屏(4)和第一棱镜(2)之间，其中，第二透镜(3)为双凹面透镜，第二透镜(3)靠近第一棱镜(2)的一个凹面与第一透镜单元的球面(S2)胶合。第二透镜(3)采用高折射率、低色散玻璃。为了得到结构更加紧凑的光学组件，第二透镜(3)的凹面与第一透镜单元的凸面紧密贴合，可以有效降低光学透镜系统色差，两者的色散系数相差越大，越利于色差校正，同时两者胶合在一起，更利于装配，降低装配公差。

上述AR现实装置中，显示屏(4)、第二透镜(3)、第一透镜单元构成一个虚拟图像物镜组，使得来自显示屏(4)的虚拟现实图像光先从第二透镜(3)的两个凹面透射，抵消色差之后，在第一透镜单元进行透射和放大，最后透射到胶合面(S7)，并在胶合面(S7)上发生反射；

第一球面棱镜(5)和第二球面棱镜(6)构成真实图像物镜组，使得来自真实世界的真实图像光从入光面(S4)透射后，先后经第一反射面(S6)的反射、胶合面(S7)的反射、第二反射面(S5)的反射后，返回并透过胶合面(S7)；

反射单元、第二透镜单元构成真实虚拟混合目镜组，使得在胶合面(S7)发生反射的虚拟现实图像光与透射到胶合面(S7)上的真实图像光混合和叠加，并经第二透镜单元的透射和放大后，得到一个虚拟现实图像与真实图像叠加后的放大图像。

综上，本发明实施例的AR显示装置具有消除图像色差、小型化、大视场角和减小图像畸变的特点，AR显示装置呈现给佩戴用户的图像既包括真实环境的图像又包括虚拟现实图像，并且因色差减小，光学透镜系统的整体焦距的选取，使得混合图像的质量得以提升，能够增强使用AR显示装置的用户的沉浸感。

在对色差要求不高的情况，为了进一步降低工艺难度，并将光学透镜系统的体积进一步缩小，可去除第二透镜(3)，将第一棱镜(2)，第二棱镜100以及第一透镜(1)构成一个光学透镜系统。依据实际需要，第一棱镜(2)和第一透镜(1)选用高折射率，高色散系数材料，二者配合可部分降低色差。具体的，第一棱镜(2)的第二透镜单元靠近第一透镜(1)的凸面，与第一透镜(1)靠近第二透镜单元的凹面配合，可以减小一部分色差。

目前AR设备的视角普遍较小，多数在20-30°左右，大大的影响了视觉效果，及与现实世界的交互体验，本发明实施例为适应AR设备小型轻型化，提供的AR显示装置具有结构紧凑、成像高质量的光学透镜系统，视角可以达到30-50°，而人眼可以清晰分辨外界的视角大约为60°左右，本方案几乎可以覆盖该区域，本发明实施例提供的AR显示设备具有结构简单，工艺制作难度低，易于量产的特点。

基于上述实施例，本发明实施例提供一种头戴式AR显示设备，包括上述实施例中的任一AR显示装置，使得本发明实施例的头戴式AR显示设备具有小体积、色差校正以及大视角的特点，本实施例头戴式AR显示设备的视角可以达到30-50°，而人眼可以清晰分辨外界的视角大约为60°左右，本实施例几乎可以覆盖该区域。本发明实施例提供的AR显示设备还具有结构简单，工艺制作难度低，易于量产的特点。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种增强现实AR显示装置，其特征在于，包括：第一棱镜(2)、第二棱镜和显示屏(4)；

所述第一棱镜(2)包括第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元；所述第一透镜单元靠近所述显示屏(4)，所述第一透镜单元与所述显示屏(4)同轴设置，所述第一透镜单元的光轴与所述第二透镜单元的光轴相交；其中，所述第一棱镜(2)为双球面棱镜，所述第一透镜单元和所述第二透镜单元均为球面透镜；所述反射单元位于所述第一透镜单元与所述第二透镜单元之间，所述反射单元包括一个斜面；

所述第二棱镜为球面棱镜，所述第二棱镜包括一个入光面(S4)和一个斜面，所述斜面与所述反射单元的斜面胶合形成一胶合面(S7)，所述入光面(S4)为球面，所述入光面(S4)的光轴与所述第二透镜单元的光轴平行；

其中，所述反射单元的斜面与所述第二棱镜的斜面中的至少一个的表面镀有同时具有透射和反射功能的材料，使得所述胶合面(S7)的透射率与反射率满足设定条件。

2.如权利要求1所述的AR显示装置，其特征在于，所述第二棱镜为双胶合棱镜；所述第二棱镜由第一球面棱镜(5)和第二球面棱镜(6)胶合而成；

所述第一球面棱镜(5)包括第一球面、第一斜面，以及用于与所述第二球面棱镜(6)贴合的第一表面；其中，所述第一斜面与所述反射单元的斜面胶合，构成所述胶合面(S7)；

所述第二球面棱镜(6)包括第二球面、第二斜面，以及用于与所述第一球面棱镜(5)贴合的第二表面；所述第二球面为所述入光面(S4)；

所述第一表面和所述第二表面胶合，使所述第一球面的光轴与所述第二球面的光轴平行；

其中，所述第二斜面上镀有反射材料以形成第一反射面(S6)，所述第一球面上镀有反射材料以形成第二反射面(S5)。

3.如权利要求1或2所述的AR显示装置，其特征在于，还包括第一透镜(1)，所述第一透镜(1)靠近所述第二透镜单元，并与所述第二透镜单元同轴设置。

4.如权利要求3所述的AR显示装置，其特征在于，还包括第二透镜(3)；

所述第二透镜(3)位于所述显示屏(4)和所述第一棱镜(2)之间，所述第二透镜(3)为双凹面透镜，所述第二透镜(3)靠近所述第一棱镜(2)的一个凹面与所述第一透镜单元的球面(S2)胶合，其中，所述第一透镜单元的球面(S2)为凸面。

5.如权利要求1至4中任一项所述的AR显示装置，其特征在于，所述第一透镜单元的光轴与所述第二透镜单元的光轴垂直，所述胶合面(S7)分别与所述第一透镜单元的光轴、所述第二透镜单元的光轴成45°夹角。

6.如权利要求2所述的AR显示装置，其特征在于，所述第一斜面与所述第一球面的光轴之间的夹角为45°；所述第二斜面与所述第二球面的光轴之间的夹角为45°。

7.如权利要求2所述的AR显示装置，其特征在于，所述第二球面为凸面，所述第二球面上镀有减反膜，形成的所述入光面(S4)为全透射面。

8.如权利要求2所述的AR显示装置，其特征在于，所述第二斜面上镀有全反射膜，形成的所述第一反射面(S6)为全反射面。

9.如权利要求2所述的AR显示装置，其特征在于，所述第一球面为凸面，所述第一球面上镀有全反射膜，形成的所述第二反射面(S5)为全反射面。

10.如权利要求2所述的AR显示装置，其特征在于，所述第一表面和所述第二表面中的至少一个的表面镀有减反膜。

11.如权利要求1所述的AR显示装置，其特征在于，所述胶合面(S7)为半透半反面。

12.如权利要求3所述的AR显示装置，其特征在于，所述第一透镜(1)为正透镜，所述第一透镜(1)靠近所述第二透镜单元的一面为凸面，所述凸面为非球面；所述第一透镜(1)远离所述第二透镜单元的一面为凹面，所述凹面为非球面或球面。

13.如权利要求1所述的AR显示装置，其特征在于，所述第一棱镜(2)为所述第一透镜单元、所述第二透镜单元和所述反射单元结合而成的一体结构；或者，

所述第一棱镜(2)为所述第一透镜单元、所述第二透镜单元分别与所述反射单元胶合而成的双球面胶合棱镜。

14.一种头戴式增强现实AR显示设备，其特征在于，包括如权利要求1至13中任一项所述的AR显示装置。