CN108169842B - 用于智能显示穿戴设备的波导组件及智能显示穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于智能显示穿戴设备的波导组件及智能显示穿戴设备。该波导组件包括：出瞳扩展波导结构；以及红外反射膜层，所述红外反射膜层设置在所述出瞳扩展波导结构的出光面上。由此，在实现增强现实显示的同时，还可以拥有红外探测辅助光学的性质，从而实现不增加波导结构厚度的多功能的集成。

Description

用于智能显示穿戴设备的波导组件及智能显示穿戴设备

技术领域

本发明涉及显示领域，具体地，涉及用于智能显示穿戴设备的波导组件及智能显示穿戴设备。

背景技术

增强现实技术(AR)是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息、声音、味道、触觉等)通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验，使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。该技术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，具有科技感较强的互动体验。此外，随着AR眼镜的出现，已经不仅仅局限在单纯的视觉叠加，而是朝着多功能多元化的方向发展，同时也就对AR眼镜的功能性提出更高的要求。

然而，目前的用于智能显示穿戴设备的波导结构及智能显示穿戴设备，仍有待改进。

发明内容

本发明是基于发明人对于以下事实和问题的发现和认识作出的：

目前，具有多功能的智能显示穿戴设备(例如AR眼镜)存在结构复杂的问题。发明人经过深入研究以及大量实验发现，这主要是由于目前的智能显示穿戴设备通常采用多种功能元件的简单叠加导致的。具体的，例如AR眼镜，为了使AR眼镜实现出瞳扩展，通常会在眼镜的外部或者上部增加传感装置，并与摄像头等其他元件组成探测装置。并且，随着增强现实技术的发展，要求智能显示穿戴设备具兼具多功能的性能，而如需实现多功能的叠加，势必会增加功能元件，而上述元件一方面会占用眼镜的大量空间，另一方面还会增加整个眼镜的重量，给穿戴者带来不适感。由此，目前的智能显示穿戴设备有待改进。

本发明旨在至少一定程度上缓解或解决上述提及问题中至少一个。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种用于智能显示穿戴设备的波导组件。该波导组件包括：出瞳扩展波导结构；以及红外反射膜层，所述红外反射膜层设置在所述出瞳扩展波导结构的出光面上。由此，在实现增强现实显示的同时，还可以拥有红外探测辅助光学的性质，从而实现不显著增加波导组件厚度的多功能的集成。

根据本发明的实施例，所述出瞳扩展波导结构在远离所述出光面的方向上具有多个第一反射面，所述红外反射膜层具有多个第二反射面，其中，所述多个第一反射面的反射率互不相同，所述多个第二反射面的反射率互不相同。由此，可以确保整个反射结构反射进人眼的亮度保持一定的均匀性。

根据本发明的实施例，沿光耦合信号入射至所述波导组件的方向，所述多个第一反射面的反射率依次增大，沿光耦合信号入射至所述波导组件的方向，所述多个第二反射面的反射率依次减小。由此，可以在出瞳扩展的同时保证亮度的均匀性。

根据本发明的实施例，该波导组件包括5个所述第一反射面以及5个所述第二反射面。由此，可以进一步保证亮度具有一定的均匀性。

根据本发明的实施例，该波导组件进一步包括：低通二色膜，所述低通二色膜设置在所述出瞳扩展波导结构远离所述红外反射膜层的一侧。由此，可以提高红外光的利用效率，进而提高红外夜视的效果。

根据本发明的实施例，所述低通二色膜对波长位于400～760nm的光的透过率大于80％，且对波长位于800～1300nm的光的反射率大于85％。利用具有上述特性的低通二色膜，可以提高红外光的利用效率，进而提高红外夜视的效果。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种智能显示穿戴设备。根据本发明的实施例，该智能显示穿戴设备包括：镜片，所述镜片包括前面所述的波导组件。由此，该智能显示穿戴设备可以具有前面描述的波导组件的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该智能显示穿戴设备同时具有增强现实显示以及红外夜视的功能，且设备轻薄。

根据本发明的实施例，所述智能显示穿戴设备包括具有眼罩的头盔或眼镜。由此，该头盔或眼镜可以同时具有增强现实显示以及红外夜视的功能，并且轻薄。

根据本发明的实施例，该智能显示穿戴设备进一步包括：红外传感器，所述红外传感器设置在所述眼罩或所述眼镜的两个镜片之间。由此，可以实现红外数据的采集，同时不显著增加智能显示穿戴设备的厚度。

根据本发明的实施例，该智能显示穿戴设备进一步包括：耦合输入组件，所述耦合输入组件设置在所述眼罩或所述眼镜中的所述镜片远离另一个所述镜片的一侧；环境图像采集组件，所述环境图像采集组件设置在所述头盔或所述眼镜远离人眼的一侧；以及通讯组件，所述通讯组件与所述耦合输入组件以及所述环境图像采集组件相连。由此，可以实现该智能显示穿戴设备的增强现实显示功能以及红外夜视功能。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1显示了根据本发明一个实施例的用于智能显示穿戴设备的波导组件的结构示意图；

图2显示了现有技术中AR眼镜的数码照片；

图3显示了根据本发明一个实施例的用于智能显示穿戴设备的波导组件的部分结构示意图；

图4显示了根据本发明一个实施例的用于智能显示穿戴设备的波导组件的结构示意图；

图5显示了根据本发明一个实施例的低通二色膜的光学性能测试图；以及

图6显示了根据本发明一个实施例的智能显示穿戴设备的结构示意图。

附图标记：

100：出瞳扩展波导结构；110：出光面；120：第一反射面；200：红外反射膜层；300：低通二色膜；400：镜片；500：红外传感器；600：耦合输入组件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种用于智能显示穿戴设备的波导组件。根据本发明的实施例，参考图1，该波导组件包括：出瞳扩展波导结构100以及红外反射膜层200。其中，红外反射膜层200设置在出瞳扩展波导结构100的出光面110上。由此，在实现增强现实显示的同时，还可以拥有红外探测辅助光学的性质，从而实现不显著增加波导组件厚度的多功能的集成。

为了便于理解，下面首先对根据本发明实施例的用于智能显示穿戴设备的波导组件的工作原理进行简单说明：

如前所述，现有的AR眼镜，为了实现出瞳扩展，在眼镜的外部或者上部增加传感装置，并与摄像头等其他元件组成探测装置，如图2所示，上述元件一方面会占用眼镜的大量空间，另一方面还会增加整个眼镜的重量，给穿戴者带来不适感。并且，如在图2中所示出的眼镜基础上，增加用于实现红外夜视功能的组件，无疑将进一步增加眼镜的重量。

根据本发明的实施例，用于智能显示穿戴设备的波导组件包括出瞳扩展波导结构以及红外反射膜层，其中出瞳扩展波导结构以及红外反射膜层均包括多个反射面，而智能显示穿戴设备包括上述波导组件以及耦合输入组件。通过设计耦合的角度以及厚度，同时利用反射面的全反射原理，使智能显示穿戴设备同时具有增强现实显示功能以及红外夜视功能，并且可以使智能显示穿戴设备轻薄化。

下面根据本发明的具体实施例，对该用于智能显示穿戴设备的波导组件的各个结构进行详细说明：

根据本发明的实施例，参考图3，出瞳扩展波导结构100在远离出光面110的方向上具有反光层，该反光层具有多个第一反射面120，并且多个第一反射面120的反射率互不相同。由此，可以确保整个反射结构反射进人眼的亮度保持一定的均匀性。根据本发明的实施例，多个第一反射面120具有不同反射率可以是通过在在反光层的不同区域，镀具有不同反射率的膜层实现的。

根据本发明的实施例，红外反射膜层200具有多个第二反射面(图中未示出)，且多个第二反射面的反射率互不相同。由此，可以使反射进人眼的亮度保持一定的均匀性。根据本发明的实施例，红外反射膜层200可以是由掺杂有磷的锑氧化锡粉末构成的。关于红外反射膜层形成多个第二反射面的具体方式不受特别限制，本领域技术人员可以根据具体情况进行设计。

关于第一反射面以及第二反射面的反射率不受特别限制，只要多个第一反射面的反射率互不相同以及多个第二反射面的反射率互不相同即可，且实现匀光的功能即可，本领域的技术人员可以根据具体情况进行设计。例如，根据本发明的实施例，沿光耦合信号入射至出瞳扩展波导结构100的方向，第二反射面的反射率变化顺序与第一反射面120的反射率的变化顺序相反。例如，根据本发明的具体实施例，沿光耦合信号入射至出瞳扩展波导结构100的方向，多个第一反射面120的反射率可以依次增加，而多个第二反射面的反射率可以依次减小。由此，可以在出瞳扩展的同时保证亮度的均匀性。关于上述多个第一反射面以及多个第二反射面的具体反射率或折射率，本领域技术人员可以根据反射面的个数等具体因素进行设计，只要能够实现匀光的性能即可。

关于第一反射面以及第二反射面的数量不受特别限制，本领域技术人员可以根据具体情况进行设计。例如，根据本发明的实施例，出瞳扩展波导结构100可以包括5个第一反射面120，红外反射膜层200可以包括5个第二反射面。由此，可以进一步保证亮度具有一定的均匀性。

下面以具有5个第一反射面以及5个第二反射面的波导组件为例，来计算每个反射面的反射率：本领域技术人员能够理解的是，可以通过下面的公式来得到每个反射面的反射率：

x1＝(1-x1)x2＝(1-x1)(1-x2)x3＝(1-x1)(1-x2)(1-x3)x4

＝(1-x1)(1-x2)(1-x3)(1-x4)x5

其中，x1为耦合端第一个反射面的反射率，x2、x3、x4、x5依次为之后每个反射面的反射率。由此，可以通过上述公式计算出两组基数，其中第一组基数分别对应每个第一反射面120的反射率，第二组基数分别对应每个第二反射面的反射率。为了保证光线具有一定的均匀性，并且最后一个反射面的透过率不能太低，不然会出现无法透视的情况，所以还可以对上述两组基数进行调整以使其为适合的参数值。关于上述调整不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际经验以及具体情况进行调整。

例如，根据本发明的具体实施例，沿光耦合信号入射至出瞳扩展波导结构100的方向，多个第一反射面120的反射率可以依次为12.88％、13.6％、15.8％、18.8％、23.1％。根据本发明的实施例，为了保证光线不会漏出，在耦合端的第一个第一反射面120可以设置为反射率为23.1％，吸收率为76.9％，透射率为0％。此时，沿光耦合信号入射至出瞳扩展波导结构100的方向，多个第二反射面的反射率可以依次为23.1％、18.8％、15.8％、13.6％、12.88％。由此，可以使从用于智能显示穿戴设备的波导组件中射出的光线具有均匀性。

根据本发明的实施例，参考图4，该用于智能显示穿戴设备的波导组件还可以包括：低通二色膜300，低通二色膜300设置在出瞳扩展波导结构100远离红外反射膜层200的一侧。由此，可以提高红外光的利用效率，进而提高红外夜视的效果。发明人发现，一般的玻璃和塑料薄膜都有透过可见光，反射红外线的特性，因此，为了提高红外光的利用效率，在出瞳扩展波导结构100远离红外反射膜层200的一侧设置低通二色膜300。

根据本发明的实施例，参考图5，低通二色膜300对波长位于400～760nm的光的透过率大于80％，并且对波长位于800～1300nm的光的反射率大于85％。利用具有上述特性的低通二色膜，可以提高红外光的利用效率，进而提高红外夜视的效果。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种智能显示穿戴设备。根据本发明的实施例，参考图6，该智能显示穿戴设备包括：镜片400，镜片400包括前面描述的波导组件。由此，该智能显示穿戴设备可以具有前面描述的波导组件的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该智能显示穿戴设备同时具有增强现实显示以及红外夜视的功能，且该智能显示穿戴设备轻薄。

根据本发明的实施例，该智能显示穿戴设备可以包括具有两个镜片的头盔(如包括护目镜的头盔)或眼镜。由此，该头盔或眼镜可以同时具有增强现实显示以及红外夜视的功能，并且轻薄。

根据本发明的实施例，参考图6，该智能显示穿戴设备还可以包括：红外传感器500，红外传感器500设置在两个镜片400之间。由此，可以利用红外传感器实现红外数据的采集，同时不增加智能显示穿戴设备的厚度。

根据本发明的实施例，参考图6，该智能显示穿戴设备还可以包括：耦合输入组件600、环境图像采集组件以及通讯组件(图中未示出)。其中，耦合输入组件600设置在眼罩或眼镜中的镜片远离另一个镜片的一侧，且耦合输入组件600可以为2个，环境图像采集组件设置在头盔或眼镜远离人眼的一侧，通讯组件与耦合输入组件600以及环境图像采集组件相连。根据本发明的实施例，该头盔或眼镜在使用过程中，在利用波导组件实现增强现实显示的同时，还可以利用波导组件中的红外反射膜层对耦合端进入的光线进行多次反射，进而实现光线的均匀性。同时利用红外传感器500采集外界的红外数据，利用环境图像采集组件采集外界的环境图像，随后利用通讯组件将红外数据以及环境图像，传输到增强现实服务器(例如电脑)中，从而使用户在体验到增强现实显示的同时，还能体验到红外夜视的效果。

综上所述，该智能显示穿戴设备利用同时具有增强现实显示以及红外显示的波导组件作为镜片，并利用双向耦合设计，使光线从两个耦合端进入设备，通过出瞳扩展波导结构以及红外反射膜层中的多个反射面对光线进行反射，使光线具有均匀性，利用红外传感器、环境图像采集组件分别采集外界的红外数据以及图像，经通讯组件传输到增强现实服务器中，使采集到的数据以及图像现实在同一个现实场景中，用户不仅能够体验到增强现实显示，还能体验到红外夜视的效果。

与传统AR眼镜相比，根据本发明的实施例的眼镜或头盔，在设置红外传感器时，并未给眼镜或头盔带来外观上的臃肿，重量也会因为波导组件的双向耦合作用，减少了结构元件，进而减轻了设备的重量，从而获得轻薄的智能显示穿戴设备。此外，根据本发明实施例的头盔或眼镜利用几何光波导的红外传感器实现出瞳扩展，比传统的红外传感器镜头拥有更大的角度，从而可以收集更为宽广的红外信号，进而可以使用户体验到更好的红外夜视效果。虽然有红外杂散光存在，但因为人眼对红外信号不可见，因此，红外杂散光的存在并不会影响头盔或眼镜的观看体验。

根据本发明的实施例，由于智能显示穿戴设备中设置有红外传感器，因此，还可以使智能显示穿戴设备具有更多的功能。例如，可以利用该智能显示穿戴设备进行3D红外景深测量，或者，还可以利用该智能显示穿戴设备进行温度的测量。由此，可以给用户带来更加丰富的体验。

在本发明的描述中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。另外，需要说明的是，本说明书中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种用于智能显示穿戴设备的波导组件，其特征在于，包括：

出瞳扩展波导结构；以及

红外反射膜层，所述红外反射膜层设置在所述出瞳扩展波导结构的出光面上，

所述出瞳扩展波导结构在远离所述出光面的方向上具反光层，所述反光层具有多个第一反射面，所述红外反射膜层具有多个第二反射面，沿光耦合信号入射至所述波导结构的方向，所述多个第一反射面的反射率依次增大，沿光耦合信号入射至所述波导结构的方向，所述多个第二反射面的反射率依次减小。

2.根据权利要求1所述的波导组件，其特征在于，包括5个所述第一反射面以及5个所述第二反射面。

3.根据权利要求1所述的波导组件，其特征在于，进一步包括：

低通二色膜，所述低通二色膜设置在所述出瞳扩展波导结构远离所述红外反射膜层的一侧。

4.根据权利要求3所述的波导组件，其特征在于，所述低通二色膜对波长位于400～760nm的光的透过率大于80％，且对波长位于800～1300nm的光的反射率大于85％。

5.一种智能显示穿戴设备，其特征在于，包括：

镜片，所述镜片包括权利要求1-4任一项所述的波导组件。

6.根据权利要求5所述的智能显示穿戴设备，其特征在于，所述智能显示穿戴设备包括具有两个所述镜片的头盔或眼镜。

7.根据权利要求6所述的智能显示穿戴设备，其特征在于，进一步包括：

红外传感器，所述红外传感器设置在两个所述镜片之间。

8.根据权利要求6所述的智能显示穿戴设备，其特征在于，进一步包括：

耦合输入组件，所述耦合输入组件设置在所述镜片远离另一个所述镜片的一侧；

环境图像采集组件，所述环境图像采集组件设置在所述头盔或所述眼镜远离人眼的一侧；以及

通讯组件，所述通讯组件与所述耦合输入组件以及所述环境图像采集组件相连。

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