CN107422484A - 棱镜式ar显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种棱镜式AR显示装置，其中，装置包括：沿第一轴依次排列的LCOS显示芯片、偏振分光棱镜PBS、双胶合透镜、第一单透镜以及分光棱镜，以及设于与所述第一轴垂直的第二轴上，且靠近所述PBS的LCOS照明设备；其中，所述双胶合透镜中的负透镜靠近所述PBS，正透镜靠近所述第一单透镜；所述分光棱镜的第一入光面靠近所述第一单透镜，且光轴与所述第一单透镜的光轴重合；所述分光棱镜的第二入光面的光轴与所述第一入光面的光轴垂直且所述第二入光面与第一出光面相对。本发明提供的棱镜式AR显示装置，在使得人眼观看到虚实混叠图像的同时，降低了虚拟图像的色差。

Description

棱镜式AR显示装置
技术领域
本发明涉及AR技术领域，尤其涉及一种棱镜式AR显示装置。
背景技术
增强现实技术(Augmented Reality，简称AR)，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术。这种技术将虚拟信息叠加到真实世界的场景中，实现真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成。
为保证用户能够看到混叠后的虚拟图像和真实世界的景物图像，AR技术需要用到成像技术以及分光合光技术。在现有的棱镜式AR显示装置中，成像光路与分光合光光路由一个分光棱镜实现。这种显示装置使得人眼看到的虚拟图像存在较大的色差，清晰度差。
发明内容
本发明的多个方面提供一种棱镜式AR显示装置，用以降低虚拟图像的色差，提升人眼看到的混叠图像的清晰度。
本发明提供一种棱镜式AR显示装置：
沿第一轴依次排列的LCOS显示芯片、偏振分光棱镜PBS、双胶合透镜、第一单透镜以及分光棱镜，以及设于与所述第一轴垂直的第二轴上，且靠近所述PBS的LCOS照明设备；
其中，所述双胶合透镜包括正透镜以及负透镜，所述负透镜靠近所述PBS，所述正透镜靠近所述第一单透镜；
所述分光棱镜的第一入光面靠近所述第一单透镜，且光轴与所述第一单透镜的光轴重合；所述分光棱镜的第二入光面的光轴与所述第一入光面的光轴垂直且所述第二入光面与第一出光面相对；
所述LCOS照明设备用于照明所述LCOS显示芯片，以使所述LCOS显示芯片发出虚拟图像光；所述LCOS显示芯片发出的虚拟图像光，经所述PBS透射以及所述双胶合透镜折射后进入所述第一单透镜，经所述第一单透镜折射入所述分光棱镜，在所述分光棱镜的第一入光面上，与来自所述分光棱镜的第二入光面的环境光进行合光后从所述分光棱镜的第一出光面透射至人眼。
进一步可选地，所述第一单透镜为正透镜。
进一步可选地，所述第一入光面和/或所述第二入光面镀有增透膜。
进一步可选地，还包括：偏振元件；
所述偏振元件位于所述分光棱镜的第二出光面的出光侧，且所述偏振元件的偏振方向与所述PBS的偏振方向垂直；所述第二出光面与所述第一入光面相对。
进一步可选地，所述第一入光面和/或所述第二入光面为凹面。
进一步可选地，所述分光棱镜包括：依次排列的第一棱镜以及第二棱镜；
所述第一棱镜的斜棱面与所述第二棱镜的斜棱面胶合，且胶合面上镀有半透半反介质膜以形成所述分光棱镜的分光面；
所述第一棱镜上靠近所述第一单透镜，且光轴与所述第一单透镜的光轴重合的面为所述第一入光面；
所述第一棱镜上，光轴与所述第一单透镜的光轴垂直的面为所述第一出光面；
所述第二棱镜上，光轴与所述第一单透镜的光轴垂直的面为所述第二入光面。
进一步可选地，所述分光棱镜包括：依次排列的第二棱镜以及第一棱镜；
所述第二棱镜的斜棱面与所述第一棱镜的斜棱面胶合，且胶合面上镀有半透半反介质膜以形成所述分光棱镜的分光面；
所述第二棱镜上靠近所述第一单透镜，且光轴与所述第一单透镜的光轴重合的面为所述第一入光面；
所述第二棱镜上，光轴与所述第一单透镜的光轴垂直的面为所述第二入光面，所述第二入光面为凸面且镀有半透半反介质膜；
所述第一棱镜上，光轴与所述第一单透镜的光轴垂直的面为所述第一出光面。
进一步可选地，所述第一出光面为与所述第二入光面同心且曲率半径相同的凹面。
进一步可选地，所述LCOS照明设备包括：沿所述第二轴依次排列的凹凸透镜以及光源设备；其中，所述凹凸透镜靠近所述光源设备的第一面为凹球面，靠近所述PBS的第二面为凸球面；所述光源设备发出的光经所述凹凸透镜汇聚至所述PBS，经所述PBS偏振化后以垂直线偏振光进入所述LCOS显示芯片。
进一步可选地，所述LCOS照明设备包括：设于所述第二轴上，且位于所述凹凸透镜和所述PBS之间的非球面正透镜；所述非球面正透镜用于将所述凹凸透镜折射来的所述光源设备发出的光均匀地折射至所述PBS，以供所述PBS偏振化后进入所述LCOS显示芯片。
本发明提供的棱镜式AR显示装置中，成像光路包括依次同轴排列的双胶合透镜以及第一单透镜，分光合光光路由分光棱镜实现。在这样的光路设计中，双胶合透镜可在对LCOS显示芯片发出的虚拟图像光成像的同时，对成像光路以及分光合光光路产生的色差进行矫正，降低了虚拟图像的色差，提升人眼看到的混叠图像的清晰度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术中棱镜式AR显示装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的棱镜式AR显示装置的结构示意图；
图3为本发明另一实施例提供的棱镜式AR显示装置的结构示意图；
图4是本发明一实施例提供的LCOS照明设备的结构示意图；
图5是本发明又一实施例提供的棱镜式AR显示装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在现有的棱镜式AR成像光路如图1所示，LCOS(Liquid Crystal on Silicon,液晶附硅)显示芯片反射的虚拟图像光通过PBS(polar ization beam splitter，偏振分光棱镜)进入分光棱镜后，透过分光棱镜的半透半反介质膜，再经过分光棱镜的反射面成像后，经该半透半透介质膜反射并与环境光混叠进入人眼。在上述光路中，成像光路与分光合光光路由一个分光棱镜实现。由于虚拟图像光中不同波长的光在分光棱镜中存在色散和折射系数的差异，进而虚拟图像光中不同波长的光将具有不同的成像位置，最终导致人眼所看到的虚拟图像具有较大色差，清晰度差。为解决上述缺陷，本发明实施例提出了如以下附图所示的棱镜式AR显示装置。
图2为本发明一实施例提供的棱镜式AR显示装置的结构示意图，如图2所示，该装置包括：
沿第一轴依次排列的LCOS显示芯片100、偏振分光棱镜PBS101、双胶合透镜102、第一单透镜103以及分光棱镜104，以及设于与第一轴垂直的第二轴上，且靠近PBS101的LCOS照明设备105。可选的，第一轴和第二轴可以垂直于PBS101的光入射面并穿过PBS101的几何中心点，且二者相互垂直。
可选的，双胶合透镜102可由低分散的冕牌玻璃正透镜和高分散的火石玻璃负透镜粘接而成。其中，双胶合透镜102中的负透镜靠近PBS101，正透镜靠近第一单透镜103。双胶合透镜102可消除光路中产生的色差，还可将PBS101透射来的发散角较大的光偏折为发散角较小的光传播出去，提升了AR显示装置的集光效率。
可选的，第一单透镜103可以是正透镜。第一单透镜103用于和双胶合透镜102配合成像，并分担光路系统中的光焦度以优化光路结构。可选的，第一单透镜103的材质可不同于双胶合透镜102的材质，也就是说第一单透镜103非火石玻璃透镜且非冕牌玻璃透镜，进而可进一步消除光路中产生的色差，提升最终进入人眼的虚拟图像的清晰度。
分光棱镜104包含两个入光面、两个出光面以及一个分光面，其中，分光面可通过半透半反介质膜实现。
如图2所示，分光棱镜104的第一入光面Si1靠近第一单透镜103，且光轴与第一单透镜103的光轴重合；分光棱镜104的第二入光面Si2的光轴与第一入光面Si1的光轴垂直，且第二入光面Si2与第一出光面Se1相对。
值得说明的是，在本发明的上述或下述实施例中，所采用的LCOS显示芯片100是一种不能自主发光的显示芯片，其需要采用偏振光来照明才能显示出不同的灰阶和颜色的画面。在本发明实施例中，采用PBS101和LCOS照明设备105配合产生线偏振光，实现对LCOS显示芯片100的照明。在图2所示的显示装置中，LCOS显示芯片100发出的虚拟图像光，经PBS101透射以及双胶合透镜102折射后进入第一单透镜103，经第一单透镜103折射入分光棱镜104，在分光棱镜104的第一入光面Si1上，与来自分光棱镜104的第二入光面Si2的环境光进行合光后从分光棱镜104的第一出光面Se1透射至人眼。进而，人眼在第一出光面Se1的出光侧可看到叠加后的虚拟图像和真实的环境图像。
本实例提供的棱镜式AR显示装置中，成像光路包括依次同轴排列的双胶合透镜102以及第一单透镜103，分光合光光路由分光棱镜104实现。一方面，在这样的光路设计中，双胶合透镜102可在对LCOS显示芯片100发出的虚拟图像光成像的同时，对成像光路以及分光合光光路产生的色差进行矫正，用以降低虚拟图像的色差，提升人眼看到的混叠图像的清晰度。另一方面，双胶合透镜102以及第一单透镜103组成的成像光路共包含五个具有一定曲率半径的光学表面，可以保证成像光路的具有足够大的视场角且该视场角可根据成像需求进行调整。除此之外，分光棱镜104除分光以及合光功能外，可等效为一定厚度的平行平板玻璃以缩短光路进而优化显示装置的结构。
在一可选实施方式中，如图2所示，分光棱镜104包括：依次排列的第一棱镜1041以及第二棱镜1042。其中，第一棱镜1041的斜棱面与第二棱镜1042的斜棱面胶合，且胶合面上镀有半透半反介质膜以形成分光棱镜104的分光面。
在这种结构中，第一棱镜1041上靠近第一单透镜103，且光轴与第一单透镜103的光轴重合的面为第一入光面Si1；第一棱镜1041上，光轴与第一单透镜103的光轴垂直的面为第一出光面Se1；第二棱镜1042上，光轴与第一单透镜103的光轴垂直的面为第二入光面Si2。
第一单透镜103折射来的虚拟图像光，经第一棱镜1041上的第一入光面Si1入射至分光面上，再经分光面反射至第一棱镜1041上的第一出光面Se1；与此同时，环境光通过第二棱镜1042上的第二入光面Si2入射至分光面上，再经分光面透射至第一棱镜1041上的第一出光面Se1。进而，人眼在第一出光面Se1的出光侧可看见混叠后的虚实结合图像。
在上述过程中，第一单透镜103折射来的虚拟图像光，只经过一次分光棱镜104的分光面即可到达人眼，其光效率为50％。图1中所示光路中，虚拟图像光经过两次分光棱镜的分光面，其光效率仅为25％。故相对于现有技术，本发明可极大提升虚拟图像成像的过程中的光效率，在使人眼观看到同等亮度的虚拟图像的条件下，降低了用于照明LCOS显示芯片100的LCOS照明设备所需的能耗。
在另一可选实施方式中，如图3所示，分光棱镜104包括：依次排列的第二棱镜1042以及第一棱镜1041。其中，第二棱镜1042的斜棱面与第一棱镜1041的斜棱面胶合，且胶合面上镀有半透半反介质膜以形成分光棱镜104的分光面。
第二棱镜1042上，靠近第一单透镜103，且光轴与第一单透镜103的光轴重合的面为第一入光面Si1；第二棱镜1042上，光轴与第一单透镜103的光轴垂直的面为第二入光面Si2，第二入光面Si2为凸面且镀有半透半反介质膜；第一棱镜1041上，光轴与第一单透镜103的光轴垂直的面为第一出光面Se1。
在这种结构中，第一单透镜103折射来的虚拟图像光，经第二棱镜1042上的第一入光面Si1入射至分光面上，经分光面反射至第二棱镜1042上的第二入光面Si2，由第二入光面Si2反射至分光面上，再由分光面透射至第一棱镜1041上的第一出光面Se1。与此同时，环境光通过第二棱镜1042上的第二入光面Si2入射至分光面上，经分光面透射至第一棱镜1041上的第一出光面Se1。进而，人眼在第一出光面Se1的出光侧可看见混叠后的虚实结合图像。
在上述过程中，第二入光面Si2为凸面且镀有半透半反介质膜，可以将入射至其上的光线进行准直并成放大的像。经过准直的虚拟图像光能量更加集中，可提升用户所看到的虚拟图像的清晰度。
可选的，如图3所示，在这种实施方式中，第一出光面Se1为与第二入光面Si2同心的凹面，且其曲率半径和第二入光面Si2的曲率半径相同，以使分光棱镜104的有效区域是等厚的，进而减少环境光的畸变，提升人眼看到的环境光的质量。
可选的，PBS101可由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个直角棱镜的斜面上镀有偏振分光介质膜，该偏振分光介质膜能把入射的非偏振光分成两束相互垂直的线偏振光。其中水平偏振光(P光)完全通过，而垂直偏振光(S光)以45度角反射出去，也就是说S偏光的出射方向与P偏光的出射方向成90度角。
图如2～图3所示，LCOS显示芯片100和LCOS照明设备105可以设置在PBS101相邻的两侧，例如，LCOS显示芯片100设于第一轴上，LCOS照明设备105设于第二轴上。其中，LCOS照明设备105包括：沿第二轴依次排列的凹凸透镜1051以及光源设备1052。
光源设备1052发出的发散角较大的非偏振光首先进入凹凸透镜1051，经凹凸透镜1051折射后变为发散角较小的光线，再进入PBS101，经PBS101的偏振分光介质膜偏振化后，其中一束线偏振光可照射在LCOS显示芯片100上，使其显示出不同的灰阶和颜色的画面。在本发明的上述或下述实施例中所述的LCOS显示芯片100发出的虚拟图像光，应当理解为LCOS显示芯片100经上述照明过程所反射的光，不再赘述。
其中，凹凸透镜1051靠近光源设备1052的第一面S11为凹球面，远离光源设备1052的第二面S12为凸球面。光源设备100发出的光线入射在S11之后，偏折为小角度的光线入射到S12上。为保证光收集效率，S12面为接近半球面的凸球面，从而在曲率半径确定的情况下，使得S12具有最大的数值孔径以增大S12的光通量，将S11折射来的光线尽可能地都传播出去。除此之外，作为凸球面，S12可以使得从凹凸透镜1051出射的光线具有更小的发散角，以提控制到达LCOS显示芯片100上的照明光斑的角度在合理的范围之内。可选的，在设计凹凸透镜1051时，可设计S12的曲率半径为S11曲率半径的2倍。
在上述实施例中提供的LCOS照明设备105中，采用凹凸透镜1051可实现较高的照明效率。但是，在一些可能的情形下，受光源设备1052的封装结构的限制，光源设备1052发光不均匀，进而导致照射在LCOS显示芯片100的显示范围内的光的均匀度较差。为提升对LCOS显示芯片100的照明均匀度，本发明还提出了如图4所示的LCOS照明设备。如图4所示，该设备还包括非球面正透镜1053。
非球面正透镜1053位于凹凸透镜1051和PBS101之间，且与凹凸透镜1051同轴。在本实施例中，光源设备1052发出的光可经凹凸透镜1051偏折为较小发散角后入射在非球面正透镜1053上，非球面正透镜1053可将凹凸透镜1051折射来的光源设备1052发出的光均匀地折射至PBS101，以供PBS102偏振化后进入LCOS显示芯片100。
其中，非球面正透镜1053的曲率半径从中心到边缘连续发生特定变化，且具有正光焦度，进而可以准确地控制每条出射光线的走向，使得光线偏折后到达目标平面的指定位置，保证了照明光斑在LCOS显示芯片上有良好的分布均匀性。
在本发明的上述或下述实施例中，可选的，第一入光面Si1和/或第二入光面Si1可镀增透膜。若在第一入光面Si1上镀增透膜，则可增加进入第一入光面Si1的虚拟图像光的强度，使得人眼所看到的虚拟图像更加清晰。同理，若在第二入光面Si2上镀增透膜，则可增加进入第二入光面Si2的环境光的强度，使得人眼所看到的真实环境图像更加清晰。
在本发明的上述实施例中，可选的，第一入光面Si1和/或第二入光面Si1可以为凹面，以增大其收光能力。例如，若第一入光面Si1为凹面，则即使LCOS显示芯片100的显示面积增大，第一入光面Si1也能够以高收光率将LCOS显示芯片100发出的虚拟图像光传播出去。
在本发明的上述或下述实施例中，分光棱镜104中的半透半反介质膜，可以将通过第一入光面Si1入射的一部分虚拟图像光透射至分光棱镜104的第二出光面Se2。其中，第二出光面Se2，为分光棱镜104中与第一入光面Si1相对的面。在一些可能的情形下，第二出光面Se2的出光侧无遮挡，易导致虚拟图像泄露，破坏用户隐私。
为解决上述缺陷，可选的，如图5所示，本发明提供的棱镜式AR显示该装置还可包括：偏振元件106。偏振元件106位于第二出光面Se2的出光侧，且偏振元件106的偏振方向与PBS101的偏振方向垂直。进而，偏振元件104可消除经由第二出光面Se2透射出的偏振化的虚拟图像光，避免了用户所观看的虚拟图像的泄露，保护了用户隐私，提升了用户体验。
可选的，偏振元件106可以是一与分光棱镜104分离的光学元件，例如偏振片。可选的，偏振元件106还可与分光棱镜一体化设计，例如，可在分光棱镜104的第二出光面Se2镀偏振介质膜，以在实现消光的同时进一步优化显示装置的体积。
基于上述实施例，本发明提供一种棱镜式AR显示设备，包括上述实施例中的任一种棱镜式AR显示装置。相应地，该设备具有成像色差小、视场角大以及光效率高的优势。
需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的光学元件等，不代表光学元件在光路中的前后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种棱镜式AR显示装置，其特征在于，包括：
沿第一轴依次排列的LCOS显示芯片、偏振分光棱镜PBS、双胶合透镜、第一单透镜以及分光棱镜，以及设于与所述第一轴垂直的第二轴上，且靠近所述PBS的LCOS照明设备；
其中，所述双胶合透镜包括正透镜以及负透镜，所述负透镜靠近所述PBS，所述正透镜靠近所述第一单透镜；
所述分光棱镜的第一入光面靠近所述第一单透镜，且光轴与所述第一单透镜的光轴重合；所述分光棱镜的第二入光面的光轴与所述第一入光面的光轴垂直，且所述第二入光面与第一出光面相对；
所述LCOS照明设备用于照明所述LCOS显示芯片，以使所述LCOS显示芯片发出虚拟图像光；所述LCOS显示芯片发出的虚拟图像光，经所述PBS透射以及所述双胶合透镜折射后进入所述第一单透镜，经所述第一单透镜折射入所述分光棱镜，在所述分光棱镜的第一入光面上，与来自所述分光棱镜的第二入光面的环境光进行合光后从所述分光棱镜的第一出光面透射至人眼。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一单透镜为正透镜。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一入光面和/或所述第二入光面镀有增透膜。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：偏振元件；
所述偏振元件位于所述分光棱镜的第二出光面的出光侧，且所述偏振元件的偏振方向与所述PBS的偏振方向垂直；所述第二出光面与所述第一入光面相对。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一入光面和/或所述第二入光面为凹面。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的装置，其特征在于，所述分光棱镜包括：依次排列的第一棱镜以及第二棱镜；
所述第一棱镜的斜棱面与所述第二棱镜的斜棱面胶合，且胶合面上镀有半透半反介质膜以形成所述分光棱镜的分光面；
所述第一棱镜上靠近所述第一单透镜，且光轴与所述第一单透镜的光轴重合的面为所述第一入光面；
所述第一棱镜上，光轴与所述第一单透镜的光轴垂直的面为所述第一出光面；
所述第二棱镜上，光轴与所述第一单透镜的光轴垂直的面为所述第二入光面。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的装置，其特征在于，所述分光棱镜包括：依次排列的第二棱镜以及第一棱镜；
所述第二棱镜的斜棱面与所述第一棱镜的斜棱面胶合，且胶合面上镀有半透半反介质膜以形成所述分光棱镜的分光面；
所述第二棱镜上靠近所述第一单透镜，且光轴与所述第一单透镜的光轴重合的面为所述第一入光面；
所述第二棱镜上，光轴与所述第一单透镜的光轴垂直的面为所述第二入光面，所述第二入光面为凸面且镀有半透半反介质膜；
所述第一棱镜上，光轴与所述第一单透镜的光轴垂直的面为所述第一出光面。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一出光面为与所述第二入光面同心且曲率半径相同的凹面。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述LCOS照明设备包括：沿所述第二轴依次排列的凹凸透镜以及光源设备；
其中，所述凹凸透镜靠近所述光源设备的第一面为凹球面，靠近所述PBS的第二面为凸球面；
所述光源设备发出的光经所述凹凸透镜汇聚至所述PBS，经所述PBS偏振化后以垂直线偏振光进入所述LCOS显示芯片。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括：设于所述第二轴上，且位于所述凹凸透镜和所述PBS之间的非球面正透镜；
所述非球面正透镜用于将所述凹凸透镜折射来的所述光源设备发出的光均匀地折射至所述PBS，以供所述PBS偏振化后进入所述LCOS显示芯片。
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