CN107450184A - 一种ar显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种AR显示设备。其中，设备包括：用于承载终端设备的设备支撑件、成像透镜、成像半透半反镜以及弧形半透半反镜；所述终端设备、所述成像透镜与所述弧形半透半反镜位于所述成像半透半反镜的同侧，所述成像半透半反镜的反射面靠近所述弧形半透半反镜的反射面以及所述成像透镜的出射面，且所述弧形半透半反镜的反射面位于所述弧形半透半反镜的凹侧。本发明提供的AR显示设备，结构简单，加工成本低。

Description

一种AR显示设备

技术领域

本发明涉及AR技术领域，尤其涉及一种AR显示设备。

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。

目前,AR产品尚不成熟，大部分已有AR产品的结构复杂，加工成本高，普及率较低。

发明内容

本发明提供一种AR显示设备，结构简单，加工成本低。

本发明提供一种AR显示设备，包括：

用于承载终端设备的设备支撑件、成像透镜、成像半透半反镜以及弧形半透半反镜；

所述终端设备、所述成像透镜与所述弧形半透半反镜位于所述成像半透半反镜的同侧，所述成像半透半反镜的反射面靠近所述弧形半透半反镜的反射面以及所述成像透镜的出射面，且所述弧形半透半反镜的反射面位于所述弧形半透半反镜的凹侧；

所述成像透镜用于将所述终端设备的屏幕光折射至所述半透半反镜上；

所述成像半透半反镜用于将所述终端设备的屏幕光反射至所述弧形半透半反镜的反射面上；

所述弧形半透半反镜用于以准直光反射所述成像半透半反镜反射来的所述终端设备的屏幕光至所述成像半透半反镜；

所述成像半透半反镜还用于将所述弧形半透半反镜反射来的准直后的所述终端设备的屏幕光以及由所述弧形半透半反镜透入的环境光透射至人眼。

进一步可选地，所述成像半透半反镜的反射面与所述成像透镜的光轴呈45°夹角。

进一步可选地，所述成像半透半反镜的反射面与所述弧形半透半反镜的中心点的切线方向呈45°夹角。

进一步可选地，还包括，所述弧形半透半反镜的曲率半径为125mm。

进一步可选地，所述成像半透半反镜的光透过率为50％，光反射率为50％。

进一步可选地，所述弧形半透半反镜的光反射率为75％，透过率为25％。

进一步可选地，所述弧形半透半反镜为等厚的半透半反镜。

进一步可选地，所述成像透镜的光轴方向与所述终端设备的屏幕所在平面垂直。

进一步可选地：全反射镜；所述全反射镜设于所述终端设备的摄像头上方，且反射面靠近所述摄像头；所述全反射镜用于将环境光反射至所述摄像头。

进一步可选地，还包括：全反射镜；所述全反射镜的反射面靠近所述终端设备的屏幕以及所述成像透镜的入射面，且所述成像透镜的光轴与所述终端设备的屏幕所在平面平行；所述全反射镜用于将所述终端设备的屏幕光反射至所述成像透镜。

本发明提供的AR显示设备，通过成像透镜、成像半透半反镜和弧形半透半反镜的光路组合，可以利用终端设备实现大视场角、高成像质量的增强现实功能。这种方案中，头戴显示设备的所需的光学器件少，光学结构简单，加工成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的AR显示设备的结构示意图；

图2是本发明另一实施例提供的AR显示设备的结构示意图；

图3是本发明又一实施例提供的AR显示设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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作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。

图1是本发明一实施例提供的AR显示设备的结构示意图，如图1所示，该设备包括：用于承载终端设备的设备支撑件1、成像半透半反镜2以及弧形半透半反镜3以及成像透镜4。

其中，成像半透半反镜2可以是平面的半透半反镜。终端设备可以是智能手机或平板电脑等可以显示图像的设备。设备支撑件1上放置有终端设备时，如图1所示，终端设备、成像透镜4与弧形半透半反镜3位于成像半透半反镜2的同侧，且终端设备的屏幕靠近成像透镜4的入射面，成像透镜4的出射面靠近成像半透半反镜2的反射面，弧形半透半反镜3的反射面也靠近成像半透半反镜2的反射面。进而，当终端设备的屏幕展示图像时，成像透镜4可以将终端设备的屏幕光折射至成像半透半反镜2上，成像半透半反镜2的反射面可以将接收到的终端设备的屏幕光反射至弧形半透半反镜3。

在本实施例中，成像透镜4可以是单透镜，也可以是有多个透镜组成的透镜组。成像透镜4的光焦度为正，以提供更大的视场角。可选的，可设置成像半透半反镜2的反射面与所述成像透镜的光轴呈45°夹角，以达到更好的AR显示设备的成像质量。可选的，在本实施例中，当成像透镜4为透镜组时，可通过调整多个透镜的组合来实现对光路的调节，使得人眼最终看到的虚拟图像的清晰度以及成像距离最佳。

在本实施例中，弧形半透半反镜3的反射面位于弧形半透半反镜3的凹侧，从成像半透半反镜2反射而来的屏幕光经弧形半透半反镜3凹侧的反射面反射后，到达成像半透半反镜2上为准直后的屏幕光。经过准直的屏幕光能量更加集中，提升了用户通过成像半透半反镜2看到的终端设备展示的图像的清晰度。

应当理解的是，用户通过成像半透半反镜2看到的终端设备的屏幕光，是由弧形半透半反镜3凹侧的反射面反射至成像半透半反镜2上的，因而弧形半透半反镜3凹侧的反射面的反射率在一定程度上决定了透入人眼的终端设备的屏幕光的亮度。可选的，为保证较合理的入眼亮度，弧形半透半反镜3的光反射率可以为75％，透过率为25％。

在图1所示的AR显示设备的结构中，除反射作用外，弧形半透半反镜3还作为目镜来观测外界实际环境。用户通过成像半透半反镜2看到的光是由弧形半透半反镜3反射来的准直后的终端设备的屏幕光，以及由弧形半透半反镜3透入的环境光。进而，用户可通过成像半透半反镜2看到叠加的环境光以及终端设备的屏幕光，实现真实世界和虚拟世界的无缝集成。

可选的，为保证用户通过弧形半透半反镜3所看到的图像不发生放大、缩小或其他畸变，在一可选实施方式中，可选择等厚的弧形半透半反镜，以确保入射环境光无光焦度地进入人眼，提升视觉效果。

需要说明的是，可选的，为了使得成像半透半反镜2在作为反射光学元件以及为透射光学元件时具有最大光效率，可选取光透过率以及光反射率各为50％的成像半透半反镜。进而，兼顾了经由成像半透半反镜2反射至弧形半透半反镜3的终端设备的屏幕光的亮度，以及经由成像半透半反镜2透射至人眼的终端设备的屏幕光和环境光的亮度，实现较佳的视觉效果。

本实施例提供的AR显示设备，通过成像透镜、成像半透半反镜和弧形半透半反镜的光路组合，可以利用终端设备实现大视场角、高成像质量的增强现实功能。这种方案中，AR显示设备的所需的光学器件少，光学结构简单，加工成本低。其次，终端设备的屏幕光在传播的过程中经多次反射，增大了终端设备的屏幕光到达人眼的光学距离，有效地减少了光学系统的光焦度。除此之外，本实施例中利用弧形半透半反镜3凹侧的反射面对成像半透半反镜2反射来的终端设备的屏幕光进行准直，提升了用户看到的终端设备的屏幕光的清晰度。

需要说明的是，在本发明的上述或下述实施例中，当终端设备放置在设备支撑件1上时，设备终端可以进行外界环境的拍摄，例如拍摄用户发出的手势等。为保证终端设备放置在设备支撑件1上之后可以进行正常地拍摄，设备支撑件1上应设有摄像头采光口。如图1中所示的设于设备支撑件1上的小孔0，摄像头可透出该小孔进行外界图像的拍摄。可选的，为适应不同类型、不同型号以及不同尺寸的终端设备，设备支撑件1与终端设备的摄像头所在面的接触区域可以进行大面积镂空设计。可选的，设备支撑件1可以仅仅与终端设备的侧边进行接触固定且固定接触的部分根据终端设备的尺寸可调节，非接触的地方均无遮挡，进而可以提升AR显示设备对不同终端设备的适配度。

在一可选实施方式中，成像半透半反镜2的反射面与设备支撑件1上放置的终端设备的屏幕所在平面呈45°夹角，且成像半透半反镜的2的反射面与弧形半透半反镜3的中心点的切线方向呈45°夹角。采用这种角度设置方式，可以使得终端设备的屏幕发出的有效光能够尽可能的按照既定的光路进行传播，保证了最终进入人眼的有效光的强度。

在一可选实施方式中，可根据对弧形半透半反镜3的成像需求以及AR显示设备的尺寸需求来选取不同曲率半径的弧形半透半反镜3。在实际应用中，可根据光学成像原理对弧形半透半反镜3的曲率半径值进行计算，此处不赘述。可选的，经多次反复试验，弧形半透半反镜3的曲率半径R＝125mm时，能兼顾较好的成像质量以及较合理的光路结构。

在一种可能的应用场景中，本发明的上述以及下述实施例提供的AR显示设备的设备支撑件1上放置有终端设备时，终端设备可对用户的手势进行拍摄以及手势识别。进而，可根据对用户的手势进行识别的结果，对终端设备所展示的虚拟图像进行处理和控制。

为便于终端设备对用户的手势进行拍摄以及手势识别，本发明还提供了如图2所示的AR显示设备。如图2所示，本发明实施例提供的AR显示设备还包全反射镜5。在图2中，成像透镜4的光轴方向与终端设备的屏幕所在平面垂直，全反射镜5设于终端设备的摄像头上方，且全反射镜的反射面可朝向用户佩戴AR显示设备时的正脸方向。进而，全反射镜5将用户身体前方的环境光，例如用户发出的手势，反射至终端设备的摄像头以使摄像头对该手势进行识别。

在图2对应的实施例中，终端设备可水平放置也可以与水平方向保持小于90°的倾角放置。当终端设备水平放置时，可设置全反射镜5与终端设备的摄像头所在平面的夹角为45°。当终端设备以水平方向90°以内的倾角放置时，可调节全反射镜5与终端设备的摄像头所在平面的夹角，以确保摄像头能够拍摄到用户在身体正前方发出的手势。

应当理解，全反射镜5与终端设备的摄像头之间的夹角，还可根据所需拍摄的手势或其他对象所在的方位进行调节，进而可实现终端设备的摄像头的拍摄视角的改变，丰富了R头戴显示设备的功能并使得AR显示设备更加灵活。

在本发明实施例提供的AR显示设备中，终端设备除了可以水平或以水平方向90°以内的倾角放置之外，也可以竖直放置。应当理解，“水平”以及“竖直”，是针对用户站立在地平面上佩戴AR显示设备而言的。当终端设备竖直放置时，成像透镜4以及全反射镜5可以如图3所示的结构进行设置。

如图3所示，全反射镜5和成像透镜4位于终端设备的同侧，且全反射镜5的反射面靠近终端设备的屏幕；成像透镜4的入射面靠近全反射镜5的反射面，出射面靠近成像半透半反镜2的反射面，且光轴方向与终端设备的屏幕所在平面平行。

当终端设备的屏幕发光时，全反射镜5将终端设备的屏幕光反射至成像透镜4；成像透镜4将全反射镜5反射来的终端设备的屏幕光折射至半透半反镜2上；成像半透半反镜2的反射面将成像透镜4折射来的终端设备的屏幕光反射至弧形半透半反镜3；弧形半透半反镜3的凹侧的反射面将成像半透半反镜2反射来的终端设备的屏幕光反射至成像半透半反镜2。进而，用户可观测到透过成像半透半反镜2的终端设备的屏幕光，以及经由弧形半透半反镜3透入的环境光。除此之外，终端设备的摄像头也可以拍摄到其视场角范围内的用户的手势，并根据对用户的手势对终端设备所展示的虚拟图像进行处理和控制，进一步提升用户体验。

以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，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AR显示设备，其特征在于，包括：

用于承载终端设备的设备支撑件、成像透镜、成像半透半反镜以及弧形半透半反镜；

所述终端设备、所述成像透镜与所述弧形半透半反镜位于所述成像半透半反镜的同侧，所述成像半透半反镜的反射面靠近所述弧形半透半反镜的反射面以及所述成像透镜的出射面，且所述弧形半透半反镜的反射面位于所述弧形半透半反镜的凹侧；

所述成像透镜用于将所述终端设备的屏幕光折射至所述半透半反镜上；

所述成像半透半反镜用于将所述终端设备的屏幕光反射至所述弧形半透半反镜的反射面上；

所述弧形半透半反镜用于以准直光反射所述成像半透半反镜反射来的所述终端设备的屏幕光至所述成像半透半反镜；

所述成像半透半反镜还用于将所述弧形半透半反镜反射来的准直后的所述终端设备的屏幕光以及由所述弧形半透半反镜透入的环境光透射至人眼。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述成像半透半反镜的反射面与所述成像透镜的光轴呈45°夹角。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述成像半透半反镜的反射面与所述弧形半透半反镜的中心点的切线方向呈45°夹角。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括，所述弧形半透半反镜的曲率半径为125mm。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述成像半透半反镜的光透过率为50％，光反射率为50％。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述弧形半透半反镜的光反射率为75％，透过率为25％。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述弧形半透半反镜为等厚的半透半反镜。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的设备，其特征在于，所述成像透镜的光轴方向与所述终端设备的屏幕所在平面垂直。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，还包括：全反射镜；

所述全反射镜设于所述终端设备的摄像头上方，且反射面靠近所述摄像头；

所述全反射镜用于将环境光反射至所述摄像头。

10.根据权利要求1～7中任一项所述的设备，其特征在于，还包括：全反射镜；所述全反射镜的反射面靠近所述终端设备的屏幕以及所述成像透镜的入射面，且所述成像透镜的光轴与所述终端设备的屏幕所在平面平行；

所述全反射镜用于将所述终端设备的屏幕光反射至所述成像透镜。