CN109541803B - 增强现实投影系统及头戴显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增强现实投影系统及头戴显示设备，其中增强现实投影系统包括显示模块、波导结构和光阑，显示模块用于显示成像，并发射显示成像的成像光束；波导结构显示模块发射的成像光束射向波导结构，成像光束在波导结构内部传递时具有非扩瞳方向和扩瞳方向；光阑设置于显示模块至波导结构之间的光路中，光阑用于限制成像光束在非扩瞳方向的出瞳位置，光阑包括沿非扩瞳方向的第一开口尺寸，在非扩瞳方向调节设置第一开口尺寸使出瞳位置在目视暂留位置。本发明提供一种增强现实投影系统及头戴显示设备，有效避免一维扩瞳波导系统出现视场缺失或者出瞳直径过大，保证整体系统的成像质量。

Description

增强现实投影系统及头戴显示设备
技术领域
本发明涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种增强现实投影系统及头戴显示设备。
背景技术
增强现实(Augmented Reality)，简称AR，是一种实时地计算摄影机摄像的位置及角度并加上相应的图像技术，在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动，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，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。
在目前的AR头戴显示设备中，波导式AR系统具有结构紧凑，重量轻等优点是AR头戴显示的重要发展方向，在其中的一维扩瞳的波导模组中，扩瞳方向和非扩瞳方向对应的出瞳不一致，在投影系统设计时，按照非扩瞳方向设计易出现渐晕，即视场变暗，甚至出现视场缺失，人眼观察不到，按照扩瞳方向设计易出现出瞳直径过大，导致整体系统的成像质量降低。
发明内容
基于此，针对一维扩瞳的波导模组，按照非扩瞳方向设计易出现视场缺失，按照扩瞳方向设计易出现出瞳直径过大的问题，有必要提供一种增强现实投影系统，能够避免出现视场缺失或者出瞳直径过大，保证整体系统的成像质量。
为实现上述目的，本发明提出的增强现实投影系统，包括：
显示模块，用于显示成像，并发射显示成像的成像光束；
波导结构，所述显示模块发射的所述成像光束射向所述波导结构，所述成像光束在所述波导结构内部传递时具有非扩瞳方向和扩瞳方向；
光阑，设置于所述显示模块至所述波导结构之间的光路中，所述光阑用于限制所述成像光束在所述非扩瞳方向的出瞳位置，所述光阑包括沿非扩瞳方向的第一开口尺寸，在非扩瞳方向调节设置所述第一开口尺寸使出瞳位置在目视暂留位置。
优选地，所述波导结构沿所述成像光束的长度为Dw，所述非扩瞳方向成像有第一出瞳，所述第一出瞳距离所述波导结构的所述成像光束出射面的出瞳距为De，所述非扩瞳方向出瞳孔径为DA，所述非扩瞳方向视场角α，则所述第一开口尺寸为
L1＝DA+2(Dw+De)×tan(α÷2)。
优选地，所述显示模块至所述光阑的光路系统中设置有透镜组件，所述透镜组件用于成像显示。
优选地，所述透镜组件包括沿所述成像光束传播方向依次设置的第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜和第三正透镜。
优选地，所述第一正透镜为凹凸透镜，所述第一负透镜为平凹透镜，所述第二正透镜和所述第三正透镜均为平凸透镜，所述第一正透镜的凸起面朝向所述第一负透镜，所述第一负透镜的凹面朝向所述第一正透镜，所述第二正透镜的凸起面和所述第三正透镜的凸起面相对设置。
优选地，所述第一正透镜和所述第一负透镜的折射率大于等于所述第二正透镜的折射率，所述第一正透镜和所述第一负透镜的阿贝数小于等于所述第二正透镜的阿贝数。
优选地，所述透镜组件包括沿成像光束传播方向依次设置的第二负透镜、第四正透镜和第五正透镜。
优选地，所述第二负透镜为平凹透镜，所述第四正透镜和所述第五正透镜为平凸透镜，所述第二负透镜的凹陷面朝向所述成像光束的入射方向，所述第四正透镜和所述第五正透镜的凸起面相对设置。
优选地，所述第二负透镜和所述第五正透镜的折射率大于等于所述第四正透镜折射率，所述第二负透镜和所述第五正透镜的阿贝数小于等于所述第四正透镜的阿贝数。
优选地，所述透镜组件的每一光学元件于光轴对称设置。
本发明还提供一种头戴显示设备，上面所述的增强现实投影系统，包括外壳，其中所述显示模块、所述波导结构以及所述光阑均设置于所述外壳内。
本发明提出的技术方案中，光阑在非扩瞳方向的第一开口尺寸可调节设置，显示模块发射的成像光束通过光阑，并通过调节设定第一开口尺寸使非扩瞳方向的出瞳处于目视暂留位置，即此时观察者能够清晰看到整个视场的像，本发明通过光阑调整非扩瞳方向的开口尺寸，实现出瞳成像在目视暂留位置，避免了出现视场缺失或者出瞳成像直径过大，有效保证整体系统的成像质量。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明增强现实投影系统一实施例的非扩瞳方向光路结构示意图；
图2为图1中本发明增强现实投影系统的扩瞳方向光路结构示意图；
图3为图1本发明增强现实投影系统非扩瞳方向光路的部分结构尺寸标记示意图；
图4为本发明增强现实投影系统第二实施例非扩瞳方向光路结构示意图；
图5为图3中本发明增强现实投影系统的扩瞳方向光路结构示意图；
图6为图1和图3本发明增强现实投影系统中的光阑结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
100 显示模块 420 第一负透镜
110 成像光束 430 第二正透镜
200 波导结构 440 第三正透镜
300 光阑 450 第二负透镜
310 非扩瞳方向 460 第四正透镜
320 扩瞳方向 470 第五正透镜
400 透镜组件 500 PBS棱镜组
410 第一正透镜
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参阅图1和图6，本发明提出的增强现实投影系统，包括：显示模块100、波导结构200和光阑300。
显示模块100用于显示成像，并发射显示成像的成像光束110；
显示模块100发射的成像光束射向波导结构200，成像光束110在波导结构200内部传递时具有非扩瞳方向310和扩瞳方向320；
光阑300设置于显示模块100至波导结构200之间的光路中，光阑300用于限制成像光束110在非扩瞳方向310的出瞳位置，光阑300包括沿非扩瞳方向310的第一开口尺寸，在非扩瞳方向310调节设置第一开口尺寸使出瞳位置在目视暂留位置。
具体地，显示模块100为LCD(Liquid Crystal Display)液晶显示或者OLED(Organic Light-Emitting Diode)有机发光二极管等自发光的显示器件，显示模块100也可以为LCOS(Liquid Crystal on Silicon)反射式液晶投影显示器件，另外所述出瞳为光学系统的光阑300在光学系统像空间所成的像称为系统的出瞳，也就是说出瞳为所述光学系统的成像，此外，光阑300在扩瞳方向320具有第二开口尺寸，由于该方向波导结构200有扩瞳作用，因此，该方向光阑的尺寸不受该方向出瞳孔径影响，但设定时需考虑波导结构200耦入区域尺寸，耦出区域均匀性等因素，保证成像光束110均入射波导结构200中。
本发明提出的技术方案中，光阑300在非扩瞳方向310的第一开口尺寸可调节设置，显示模块100发射的成像光束110通过光阑300，并通过调节设定第一开口尺寸使非扩瞳方向310的出瞳处于目视暂留位置，即此时观察者能够清晰看到整个视场的像，本发明通过光阑300调整非扩瞳方向310的第一开口尺寸，实现出瞳成像在目视暂留位置，避免了出现视场缺失或者出瞳成像直径过大，有效保证整体系统的成像质量。
所述一维扩瞳是指一种基于波导的AR方案中，在一个方向利用光栅或阵列部分反射镜组对出瞳进行扩大。
所述扩瞳方向320是光栅衍射致使出瞳扩大的方向，非扩瞳方向310是没有扩瞳过程发生的方向，一般非扩瞳方向310和扩瞳方向320相互垂直。
所述目视暂留位置为(Eye relief)，指观测者能清晰看到整个视场的像时眼球与最近光学元件之间的距离。
参阅图3，波导结构200沿成像光束110的长度为Dw，非扩瞳方向310成像有第一出瞳311，第一出瞳311距离波导结构200出射面的出瞳距为De，非扩瞳方向310出瞳孔径为DA，非扩瞳方向310视场角α，第一开口尺寸为L1则
L1＝DA+2(Dw+De)×tan(α÷2)。
由此通过计算得出光阑300在非扩瞳方向310第一开口尺寸，调整光阑300的第一开口尺寸为计算得到的数值，便于增强现实投影系统使用前就确定第一开口尺寸，避免后续再次调整，减少光路调整步骤。
作为一种优选方式，显示模块100至光阑300的光路系统中设置有透镜组件400，透镜组件400用于成像显示，例如，成像光束110通过透镜组件400的折射或散射作用后，成像光束110会聚成像在经透镜组件400之后的光路中。
请参阅图1和图2，在其中一实施例中，透镜组件400包括沿成像光束110传播方向依次设置的第一正透镜410、第一负透镜420、第二正透镜430和第三正透镜440，第一正透镜410为凹凸透镜，成像光束110依次经过上述第一正透镜410、第一负透镜420、第二正透镜430和第三正透镜440后保证有效显示成像。
进一步地，第一负透镜420为平凹透镜，第二正透镜430和第三正透镜440均为平凸透镜，第一正透镜410的凸起面朝向第一负透镜420，第一负透镜420的凹面朝向第一正透镜410，第二正透镜430的凸起面和第三正透镜440的凸起面相对设置，有效保证成像光束110会聚显示成像。
进一步地，第一正透镜410和第一负透镜420的折射率大于等于第二正透镜430的折射率，第一正透镜410和第一负透镜420的阿贝数小于等于第二正透镜430的阿贝数，确保经过透镜组件400的成像光束110准确成像，同时通过透镜组件400能够校正像差，保证成像清晰。一般光学元件的折射率越高，色散越高，阿贝数越低，成像的品质越好，例如，第一正透镜410的折射率为1.65，阿贝数为21.51，第一负透镜420折射率为1.65，阿贝数为21.51，第二正透镜430的折射率为1.754，阿贝数为55.99。
此外，第三正透镜440的折射率依据视场的设计需求而定，第三正透镜440折射率大于等于第二正透镜430的折射率，或者第三正透镜440折射率小于第二正透镜430的折射率，例如，第三正透镜440的折射率为1.55，阿贝数为55.91。
请参阅图4和图5，在另一实施例中，透镜组件400包括沿成像光束110传播方向依次设置的第二负透镜450、第四正透镜460和第五正透镜470，成像光束110依次经过上述第二负透镜450、第四正透镜460和第五正透镜470后保证有效显示成像。
进一步地，第二负透镜450为平凹透镜，第四正透镜460和第五正透镜470为平凸透镜，第二负透镜450的凹陷面朝向成像光束110的入射方向，第四正透镜460和第五正透镜470的凸起面相对设置，有效保证成像光束110会聚显示成像。
进一步地，第二负透镜450为和第五正透镜470的折射率大于等于第四正透镜460折射率，第二负透镜450和第五正透镜470的阿贝数小于等于第四正透镜460的阿贝数，一般光学元件的折射率越高，色散越高，阿贝数越低，成像的品质越好，例如，第二负透镜450的折射率为1.92，阿贝数为20.88，第四正透镜460折射率为1.69，阿贝数为55.41，第五正透镜470的折射率为1.75，阿贝数为52.27。
作为一种优选方式，透镜组件400的每一光学元件于光轴对称设置，即透镜组件400的每个光学元件自其光轴向外部延伸的等距位置光学性质相同，有效保证非扩瞳方向310和扩瞳方向320的成像质量，所述光学性质包括折射率、反射率、透过率、阿贝数，以及光学元件的厚度。
作为一种优选方式，显示模块100至透镜组件400之间的光路中设置有PBS棱镜组500，例如，显示模块100为LCOS液晶投影显示时，PBS棱镜组500偏振分光，增加光线透过率，照亮整个光路系统。
本发明还一种头戴显示设备，包括显示模块100、波导结构200和光阑300，显示模块100用于显示成像，并发射显示成像的成像光束110；显示模块100发射的成像光束射向波导结构200，成像光束110在波导结构200内部传递时具有非扩瞳方向310和扩瞳方向320；光阑300设置于显示模块100至波导结构200之间的光路中，光阑300用于限制成像光束110在非扩瞳方向310的出瞳位置，光阑300包括沿非扩瞳方向310的第一开口尺寸，在非扩瞳方向310调节设置第一开口尺寸使出瞳位置在目视暂留位置，所述头戴显示设备还包括外壳(图未示)，其中显示模块100、波导结构200以及光阑300均设置于外壳内。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种增强现实投影系统，其特征在于，包括：
显示模块，用于显示成像，并发射显示成像的成像光束；
波导结构，所述显示模块发射的所述成像光束射向所述波导结构，所述成像光束在所述波导结构内部传递时具有非扩瞳方向和扩瞳方向；
光阑，设置于所述显示模块至所述波导结构之间的光路中，所述光阑用于限制所述成像光束在所述非扩瞳方向的出瞳位置，所述光阑包括沿非扩瞳方向的第一开口尺寸，在非扩瞳方向调节设置所述第一开口尺寸使出瞳位置在目视暂留位置，所述目视暂留位置指观测者能清晰看到整个视场的像时眼球与最近光学元件之间的距离。
2.如权利要求1所述的增强现实投影系统，其特征在于，所述波导结构沿所述成像光束的长度为Dw，所述非扩瞳方向成像有第一出瞳，所述第一出瞳距离所述波导结构的所述成像光束出射面的出瞳距为De，所述非扩瞳方向出瞳孔径为DA，所述非扩瞳方向视场角α，所述第一开口尺寸为L1则
。
3.如权利要求1或2所述的增强现实投影系统，其特征在于，所述显示模块至所述光阑的光路系统中设置有透镜组件，所述透镜组件用于成像显示。
4.如权利要求3所述的增强现实投影系统，其特征在于，所述透镜组件包括沿所述成像光束传播方向依次设置的第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜和第三正透镜。
5.如权利要求4所述的增强现实投影系统，其特征在于，所述第一正透镜为凹凸透镜，所述第一负透镜为平凹透镜，所述第二正透镜和所述第三正透镜均为平凸透镜，所述第一正透镜的凸起面朝向所述第一负透镜，所述第一负透镜的凹面朝向所述第一正透镜，所述第二正透镜的凸起面和所述第三正透镜的凸起面相对设置。
6.如权利要求4所述的增强现实投影系统，其特征在于，所述第一正透镜和所述第一负透镜的折射率大于等于所述第二正透镜的折射率，所述第一正透镜和所述第一负透镜的阿贝数小于等于所述第二正透镜的阿贝数。
7.如权利要求3所述的增强现实投影系统，其特征在于，所述透镜组件包括沿成像光束传播方向依次设置的第二负透镜、第四正透镜和第五正透镜。
8.如权利要求7所述的增强现实投影系统，其特征在于，所述第二负透镜为平凹透镜，所述第四正透镜和所述第五正透镜为平凸透镜，所述第二负透镜的凹陷面朝向所述成像光束的入射方向，所述第四正透镜和所述第五正透镜的凸起面相对设置。
9.如权利要求8所述的增强现实投影系统，其特征在于，所述第二负透镜和所述第五正透镜的折射率大于等于所述第四正透镜折射率，所述第二负透镜和所述第五正透镜的阿贝数小于等于所述第四正透镜的阿贝数。
10.如权利要求3所述的增强现实投影系统，其特征在于，所述透镜组件的每一光学元件于光轴对称设置。
11.一种头戴显示设备，包括权利要求1所述的增强现实投影系统，其特征在于，包括外壳，其中所述显示模块、所述波导结构以及所述光阑均设置于所述外壳内。
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