CN109709675A - 增强现实显示设备和增强现实眼镜 - Google Patents

Abstract

提供了一种增强现实显示设备和增强现实眼镜。该增强现实显示设备包括在一方向上堆叠的基板、成像元件和第一光学元件。基板包括相对的第一侧和第二侧。成像元件配置成显示由虚拟图像光形成的初级虚拟图像。第一光学元件配置成接收透射穿过基板的虚拟图像光、对虚拟图像光进行定向以使初级虚拟图像被放大为次级虚拟图像、以及使虚拟图像光沿从第二侧到第一侧的方向从第一光学元件出射。

Description

增强现实显示设备和增强现实眼镜

技术领域

本公开涉及增强现实显示技术的领域，尤其涉及一种增强现实显示设备和增强现实眼镜。

背景技术

增强现实技术能够实现真实环境与虚拟环境的叠加。当前的增强现实显示设备具有光能利用率较低、体积较大、制作工艺复杂及成本较高等缺陷。

发明内容

根据本公开的一方面，提供了一种增强现实显示设备，包括在一方向上堆叠的基板、成像元件和第一光学元件。所述基板包括相对的第一侧和第二侧。所述成像元件配置成显示由虚拟图像光形成的初级虚拟图像。所述第一光学元件配置成接收透射穿过所述基板的所述虚拟图像光、对所述虚拟图像光进行定向以使所述初级虚拟图像被放大为次级虚拟图像、以及使所述虚拟图像光沿从所述第二侧到所述第一侧的方向从所述第一光学元件出射。

在一些实施例中，所述增强现实显示设备还包括第二光学元件。所述第二光学元件位于所述基板的所述第二侧，并且所述成像元件和所述第一光学元件均位于所述第二光学元件的同一侧。所述第二光学元件配置成校正沿从所述第二侧到所述第一侧的方向透射穿过所述第一光学元件的环境光。

在一些实施例中，所述第一光学元件位于所述基板的所述第一侧，所述成像元件位于所述基板的所述第二侧且相对于所述第二光学元件更接近所述基板。所述第一光学元件是凸透镜或会聚超透镜，所述第二光学元件是凹透镜或发散超透镜。

在一些实施例中。所述成像元件位于所述基板的所述第一侧，所述第一光学元件位于所述基板的所述第二侧且相对于所述第二光学元件更接近所述基板，所述第一光学元件是包括面向所述成像元件的凹反射面的凹透反镜或包括面向所述成像元件的反射面的发散超透镜，并且所述第二光学元件是凸透镜或会聚超透镜。

在一些实施例中，所述增强现实显示设备还包括第三光学元件。所述第三光学元件布置在所述基板的第二侧，所述成像元件和所述第一光学元件布置在所述基板的第一侧，所述成像元件相对于所述第一光学元件更靠近所述基板，所述第三光学元件相对于所述第二光学元件更靠近所述基板。所述第一光学元件是凸透镜或会聚超透镜，所述第二光学元件是凹透镜或发散超透镜，所述第三光学元件包括面向所述成像元件的反射面。

在一些实施例中，所述增强现实显示设备还包括第三光学元件。所述第三光学元件布置在所述基板的第一侧，所述成像元件和所述第一光学元件布置在所述基板的第二侧，所述成像元件相对于所述第一光学元件更靠近所述基板，所述第一光学元件相对于所述第二光学元件更靠近所述基板。所述第一光学元件是包括凹反射面的凹透反镜或包括反射面的发散超透镜，所述第二光学元件是凸透镜或汇聚超透镜，所述第三光学元件包括面向所述成像元件的反射面。

在一些实施例中，多个所述成像元件之间存在间隙，且所述间隙配置成允许环境光透射穿过。

在一些实施例中，多个所述第一光学元件中的每一个的光轴穿过由多个所述成像元件中的对应一个形成的初级虚拟图像的几何中心。

在一些实施例中，所述基板是曲面基板，多个所述第一光学元件分离地位于所述曲面基板上，并且所述曲面基板配置成调整多个所述第一光学元件的出射角度，以会聚多个所述次级虚拟图像。

在一些实施例中，所述基板是曲面基板，并且多个所述第一光学元件相连形成第一光学层，其中所述第一光学层包括自由曲面透镜。

在一些实施例中，所述基板是平面基板，多个所述第一光学元件分离地位于所述平面基板上，并且所述增强现实显示设备还包括位于所述基板的所述第一侧、且相对于所述第一光学元件更远离所述基板的全息体光栅。

在一些实施例中，所述全息体光栅包括多个子光栅，每个所述子光栅的光轴与多个所述第一光学元件中的对应一个的光轴重合，并且所述全息体光栅配置成会聚多个所述次级虚拟图像。

在一些实施例中，所述基板是平面基板，并且多个所述第一光学元件相连形成第一光学层，其中所述第一光学层包括全息透镜。

在一些实施例中，所述成像元件是像素岛。

在一些实施例中，所述像素岛包括不同颜色的多个像素。

在一些实施例中，由多个所述像素岛各自发出的多个所述次级虚拟图像拼接成完整虚拟图像。

在一些实施例中，所述像素岛包括相同颜色的多个像素。

在一些实施例中，由相邻的像素颜色不同的所述像素岛形成的所述次级虚拟图像至少部分地重叠。

在一些实施例中，由相同颜色的所述像素岛发出的相同颜色的次级虚拟图像彼此拼接，并且由不同颜色的所述像素岛发出的不同颜色的次级虚拟图像堆叠，以形成完整虚拟图像。

根据本公开的一方面，提供了一种增强现实眼镜，其包括根据本公开任一实施例的增强现实显示设备。

附图说明

本发明的实施例参考附图更详细地并且通过非限制性示例的方式予以描述，在附图中：

图1A示意性地示出了根据本公开实施例的增强现实显示设备的侧视图；

图1B示意性地示出了根据本公开实施例的增强现实显示设备的立体图；

图2A示意性地示出了根据本公开实施例的增强现实显示设备的虚拟图像拼接原理；

图2B示意性地示出了根据本公开实施例的增强现实设备发出的虚拟图像光的光路图；

图3A示意性地示出了根据本公开另一实施例的增强现实显示设备的虚拟图像拼接原理；

图3B示意性地示出了根据本公开实施例的增强现实设备的成像元件的一种排列方式；

图3C示意性地示出了根据本公开实施例的增强现实设备的成像示意图；

图4A示意性地示出了根据本公开实施例的增强现实显示设备的局部截面图；

图4B示意性地示出了凸透镜放大图像的原理；

图5A示意性地示出了根据本公开另一实施例的增强现实显示设备的局部截面图；

图5B示意性地示出了凹面镜放大图像的原理；

图6A示意性地示出了根据本公开又一实施例的增强现实显示设备的局部截面图；

图6B示意性地示出了根据本公开再一实施例的增强现实显示设备的局部截面图；

图7示意性地示出了根据本公开另一实施例的增强现实显示设备的结构；

图8A示意性地示出了根据本公开又一实施例的增强现实显示设备的结构；

图8B示意性地示出了透射式衍射光栅的原理；

图9A示意性地示出了根据本公开再一实施例的增强现实显示设备的结构；以及

图9B示意性地示出了全息透镜的成像原理。

具体实施方式

增强现实（AR，Augmented Reality）是一种通过计算机处理、并借助透视式的显示器或眼镜实现虚拟环境与真实环境的融合的技术。在增强现实技术中，真实环境和虚拟环境实时地叠加到一起，从而实现真实世界信息和虚拟世界信息的相互补充。增强现实使用户具有身临其境的沉浸感，与环境进行交互。

相关技术中，实现增强现实主要有两种方案。一种方案是分光棱镜方案。在这种方案中，成像光路与分光合光光路由偏振分光棱镜实现。偏振分光棱镜通过偏振分光膜将微显示器投影的信息反射到人眼，同时允许自然光透射进入人眼。但是，偏振分光棱镜的体积很大，不利于实现显示器件的轻薄化。而且，偏振分光棱镜的显示区域的面积较小。此外，偏振分光棱镜对投影光的入射角度也有一定限制，这限制了增强现实显示的视场角。分光棱镜显示装置为人眼呈现的虚拟图像的清晰度较差。另一方案是光导传输方案。这种方案采用侧面入射带有图像信息的光线，利用波导进行全反射传输，并且利用到多个衍射光学元件将光线从显示面板耦入到人眼中。光线在波导中传输时会多次非受控地接触到衍射光学元件，且光线在波导的耦入和耦出处的损耗量较大，所以光能利用率较低。目前，这类显示器件的光能利用率只在2%左右，这对显示面板的发光亮度提出了很高的要求。光导传输方案同样存在色彩效果差、清晰度差的问题，而且结构复杂，不利于小型化。

本公开提供了一种增强现实显示设备。图1A示意性地示出了根据本公开实施例的增强现实显示设备的侧视图。图1B示意性地示出了根据本公开实施例的增强现实显示设备的立体图。如图1A和1B所示，增强现实显示设备包括在一方向上堆叠的基板105、成像元件110和第一光学元件115。在术语“在一方向上堆叠”被用于限定三个元件时，该术语可以被理解为这三个元件中的一个包含相对的两侧，而这三个元件中的另外两个元件分别布置在该两侧。另外，该术语并不限制该术语所描述的多个元件的排列顺序。例如，在一些实施例中，基板可介于成像元件和第一光学元件之间，在另一些实施例中，成像元件可以介于基板和第一光学元件之间。成像元件110位于基板105一侧，并配置成产生虚拟图像光。虚拟图像光经第一光学元件放大后可以形成待与环境图像结合的虚拟图像。虚拟图像光穿过基板105被投射到第一光学元件115，并通过第一光学元件115被投射到人眼。成像元件发出的虚拟图像光在未到达第一光学元件115时形成初级虚拟图像。在经过第一光学元件115后，虚拟图像光被定向以形成次级虚拟图像。术语“定向”表示光的行进方向被引导而发生改变，并且可能导致这些光所形成的图像在光被定向后而放大或缩小。次级虚拟图像作为虚像，被人眼感知。次级虚拟图像相对于初级虚拟图像是放大的。具体的，根据透镜的视放大倍率公式：，可以通过设置第一光学元件的焦距来设置次级虚拟图像相对于初级虚拟图像的放大倍率，其中ω_次级表示次级虚拟图像相对于人眼的视场角，ω_初级表示初级虚拟图像相对于人眼的视场角，f表示第一光学元件的焦距。在图1B中，x方向表示增强现实显示设备的中心到人眼的方向，y方向表示竖直方向。在一些实施例中，如图1B所示，各成像元件110可以按照矩形阵列的形式布置在基板105的表面上。

为了避免人眼长期观看而容易疲劳，通过调整成像元件110和第一光学元件115的属性及间距（即，基板105的厚度）可以将放大虚像的位置例如设置在人眼的明视距离L=250mm处。根据物像关系公式：，可以设置成像元件与第一光学元件的距离，其中l’表示物距，即初级虚拟图像与第一光学元件的距离，也就是成像元件与第一光学元件的距离；l表示相距，即次级虚拟图像与第一光学元件的距离，其可以是上述明视距离；f’表示第一成像元件的焦距。在一些实施例中，第一光学元件115是凸透镜，其属性包括焦距、折射率、入射面及出射面曲率半径、厚度等。在一些实施例中，第一光学元件是凹面透反镜，其属性包括焦距、反射面曲率半径等。在一些实施例中，第一光学元件115是超透镜，其属性包括焦距、折射率等。术语“明视距离”是指在合适的照明条件下，最适合正常人眼观察近处较小物体的距离，其约为250mm。当物体或像位于明视距离处时，人眼不用进行调节就能看清该物体或像。若完整虚拟图像的视场角为A，且每个成像元件形成的局部虚拟图像不重叠地拼接成该完整虚拟图像，则每个成像元件覆盖的视场角为A/n（n为成像元件的数量，也就是说，完整虚拟图像被分割成n个局部虚拟图像）。对于单个第一光学元件来说, 根据成像质量最佳时的相对孔径，可以得到第一成像元件的个数n。另外，已知为使人眼无法分辨单个像素，呈现的虚拟图像的像素密度需要使相邻的两像素点在视网膜上对应的两点之间的距离小于黄斑上两视觉神经细胞的直径0.006mm。据此，结合像素放大倍率，可以计算出每个像素的尺寸。例如，当人眼距显示设备的基板的距离为15mm时，像素的尺寸应不超过4.36μm。这时，根据像素岛的个数n，可确定单个像素岛的尺寸大小，并由此可计算出单个第一光学元件的焦距f。由于成像元件与第一光学元件的距离d在小于焦距的情况下接近焦距（例如，0.9f ≤ d < f），可以得到成像元件与第一光学元件的距离d。在成像元件与第一光学元件设置在基板两侧的情况下，基板的厚度等于成像元件与第一光学元件的距离d。

在一些实施例中，增强现实显示设备可以包括多个成像元件110和多个第一光学元件115。在制作显示设备的过程中，可以先形成包含所述多个第一光学元件的膜，然后将该膜布置（例如，粘贴）在基板上。成像元件115的尺寸可以设置成小到人眼不可分辨从而不影响人眼正常观看外界环境（接收环境光）。例如，成像元件110的宽度可以小于1微米。成像元件115之间存在足够大的空隙，使得环境光能够穿过该空隙入射到人眼。每个成像元件110显示局部的虚拟图像。所有的局部虚拟图像拼接成完整的虚拟图像。成像元件110和第一光学元件115是一一对应的，且在一些实施例中，成像元件110形成的初级虚拟图像所在平面垂直于对应的第一光学元件115的光轴，且与该第一光学元件115的焦平面平行。在更具体的实施例中，第一光学元件115的光轴穿过初级虚拟图像的几何中心，使得第一光学元件115形成的次级图像相对于初级虚拟图像的畸变尽量少。通过适当的像素渲染算法可以调整成像元件110的亮度，使其与环境光融合，且忽略其对外界环境的影响。另外，根据人眼的最小分辨角公式θ=1.22λ/D（D为瞳孔直径），以及θ=S/L（S为像素尺寸，L为人眼距成像元件的光学距离），可以得到使成像元件对观察外界环境的影响可被忽略的最大像素尺寸。

在一些实施例中，成像元件110可以是像素岛。像素岛包括多个像素，相当于一个像素簇。每个像素通过驱动电路来控制。像素岛间隔地排列在基板105上。每个像素岛相当于一块显示局部虚拟图像的微小显示屏。每个像素岛发出的虚拟图像光经过第一光学元件115后形成局部虚拟图像。通过设置像素岛的尺寸、第一光学元件115的光学属性、像素岛与第一光学元件115的相对位置、以及增强现实显示设备距人眼的距离等参数，可以将各个像素岛形成的局部虚拟图像拼接在一起，从而形成完整的虚拟图像。可以通过像素渲染算法控制像素岛的发光强度，使得像素岛发出的光与环境光相融合，从而不影响对环境光的观察。

像素岛可以包含多种颜色的像素，也可以仅包含一种颜色的像素。图2A示意性地示出了根据本公开实施例的增强现实显示设备的虚拟图像拼接原理。在该实施例中，单个像素岛可以包括红、绿、蓝三种像素，因此单个像素岛显示的初级虚拟图像205、210和215可以是全彩图像。如图2所示，每个像素岛所发出的虚拟图像光经过第一光学元件形成局部虚拟图像（次级虚拟图像）。由于成像元件布置在第一光学元件的焦距之内，次级虚拟图像与初级虚拟图像的方向保持不变。相邻的两个像素岛各自形成的局部虚拟图像可以进行拼接。图2B示意性地示出了根据本公开实施例的增强现实设备发出的虚拟图像光的光路图。如图2所示，各个成像元件110发出的虚拟图像光经过第一光学元件110被放大形成局部虚拟图像而从增强现实设备出射，并且各个局部虚拟图像拼接在一起，形成完整的虚拟图像220。像素岛的像素可以是OLED、LCD或Micro-LED等。

图3示意性地示出了根据本公开另一实施例的增强现实显示设备的虚拟图像拼接原理。在该实施例中，单个像素岛仅包括一种颜色的像素。每一种单色像素岛上的图像经放大后均能拼接成一幅完整的放大单色图像。具体地，初级虚拟图像305、320和335是红色图像，初级虚拟图像310、325和340是绿色图像，初级虚拟图像315、330和345是蓝色图像。如图3所示，全彩区域350受到不同颜色的三个虚拟图像的叠加。因此，全彩区域350可以呈现全彩色图案。各个全彩区域350的集合组成有效显示区域355。有效显示区域355中的各个区域均受到三种颜色的光的照射，因此有效显示区域355可以呈现全彩色的完整虚拟图像。没有被全部三种颜色的虚拟图像覆盖的区域是非全彩区域360。根据需要，可以使非全彩区域360对应的像素不发光，使得所显示的虚拟图像的所有部分都是全彩的。在本实施例中，相同颜色的像素岛形成的局部虚拟图像拼接形成单色的完整虚拟图像。多个不同颜色的单色完整虚拟图像叠加形成完整的彩色虚拟图像。

成像元件可以以适当的方式在基板上排列以形成成像元件阵列。例如，成像元件可以在矩形阵列中按照彼此垂直的行和列来排列。在单个成像元件配置成发射全彩局部图像的情况中，各个成像元件形成的放大虚像拼接但不重叠。因此，每一行中的各成像元件之间的间距可以相等，并且每一列中的各成像元件之间的间距也可以相等。

在单个成像元件发射单色局部图像的情况中，每一行和每一列中的各成像元件之间也可以等距设置。通过调整每个成像元件具体呈现的虚拟图像，也可以实现期望的完整虚拟图像。不过，由于成像元件产生的放大图像需要重叠，因此相对于成像元件发射全彩局部图像的情况，每行中的成像元件和/或每列中的成像元件之间的间距可能更短。

在一些更具体的实施例中，在增强现实显示设备中，位于一行中的成像元件形成的局部虚拟图像部分重叠，且位于一列中的成像元件形成的局部虚拟图像不重叠。同时，位于行中的成像元件按照颜色而周期性地排列。例如，在包含三种发出不同颜色光的成像元件组成的行中，第3N+1个成像元件可以配置成发出第一种颜色的光，第3N+2个成像元件可以配置成发出第二种颜色的光，第3N+3个成像元件可以配置成发出第三种颜色的光，其中N为零和正整数。由于在本实施例中，位于一行中的成像元件形成的局部虚拟图像部分重叠，而位于一列中的成像元件形成的局部虚拟图像不重叠，因此一行中各成像元件之间的间距与一列中各成像元件之间的间距不同。位于一列中的成像元件可以是发出相同颜色的光，也可以发出不同颜色的光，且一列中的各成像元件不一定按颜色而周期性排列。基于单色成像元件的这种排列，可以实现各个单色成像元件形成的局部单色虚拟图像的拼接及叠加，以实现完整的全彩虚拟图像。

应理解，术语“行”和“列”在上述实施例中仅用于表示彼此垂直的两条直线，并未限定所在直线的延伸方向。例如，在一些实施例中，“行”可以表示水平延伸的直线而“列”可以表示竖直延伸的直线，而在另一些实施例中，“行”可以表示竖直延伸的直线而“列”可以表示水平延伸的直线。

除了矩形阵列布置，成像元件还可以按照其他方式排列。例如，成像元件可以按照六边形阵列排列。图3B示意性地示出了成像元件的一种排列方式，其中成像元件按照六边形排列。六边形阵列可以理解为排列紧密的相同的六边形形成的阵列。成像元件110可以位于六边形的中心处。在包含三种颜色的成像元件的实施例中，共享一个顶点的三个六边形各自的中心布置不同颜色的成像元件110。通过调整每个成像元件的图案，可以最终形成完整的虚拟图案。图3C示意性地示出了六边形排列的成像元件的成像示意图。如图3所示，成像元件形成六边形的次级虚拟图像370。这些次级虚拟图像370进行拼接以形成完成虚拟图像375。

虽然第一光学元件115能够在人眼中呈现虚拟图像，但第一光学元件115也可能使透射穿过其而向人眼行进的环境光发生折射而无法在视网膜上呈现清晰的环境图像。为此，在一些实施例中，增强现实显示设备还包括第二光学元件120。第二光学元件120与第一光学元件115形成透镜组合。第二光学元件120配置成校正由第二侧向第一侧透射穿过第一光学元件115的环境光，即，希望该透镜组合的焦距为正无穷大。也就是说，第二光学元件120仅调整向人眼入射的环境光，而并不影响由成像元件110发射到人眼的虚拟图像。该透镜组合的焦距可由下述公式得到：，其中f’表示透镜组合的焦距，f₁’表示第一光学元件的焦距，f₂’表示第二光学元件的焦距，d表示第二光学元件120与第一光学元件115之间的距离。在更具体的布置中，成像元件110和第一光学元件115均位于第二光学元件120的同一侧。也就是说，第二光学元件120不会位于成像元件110和第一光学元件115之间。第二光学元件120相对于成像元件110和第一光学元件115更远离人眼。因此，成像元件110发出的光仅被第一光学元件115向人眼定向，而不会受到第二光学元件120的影响。

下面具体介绍第一光学元件115和第二光学元件120的类型以及相对于基板105的位置关系。基板105包括相对的第一侧和第二侧。第一侧可以是近眼侧106，即基板105的两侧中离眼部较近的一侧。第二侧可以是远眼侧107，即基板105的两侧中离眼部较远的一侧。图4A示意性地示出了根据本公开实施例的增强现实显示设备的局部截面图。如图4A所示，第一光学元件115位于基板105的近眼侧106，成像元件110位于基板105的远眼侧107。在一些实施例中，第一光学元件115和成像元件110中的至少一个可以通过贴合的方式（例如，粘贴）布置在基板105上。成像元件110按照从远眼侧107到近眼侧106的方向发射虚拟图像。第二光学元件120位于远眼侧107，并且相对于成像元件110更远离基板105。图4B示出了凸透镜放大图像的原理。如图4B所示，初级虚拟图像410位于凸透镜的一倍焦距内。经过凸透镜后，初级虚拟图像410被放大为次级虚拟图像415，并保持方向不变。环境光405透射穿过凸透镜。第一光学元件115是凸透镜或会聚超透镜。第二光学元件120是凹透镜或发散超透镜。应理解，虽然在图4A的实施例中，基板105位于成像元件110和第一光学元件115之间，但基板105也可以位于其它位置，例如成像元件110、第一光学元件115和第二光学元件120可以布置在基板的同一侧。应理解，术语“从第二侧到第一侧”或类似术语（例如，从远眼侧到近眼侧）所限定的方向并不表示该方向被限制为垂直于基板，即，这些术语限定的方向可以不垂直于基板。

超透镜也是一种光学器件。其具有普通透镜材料无法具备的超常物理特性（例如，负磁导率、负介电常数、负折射率等）。通过由具有特殊电磁属性的人工原子按照一定的排列方式组成二维平面结构，超透镜可实现对入射光的振幅、相位、偏振等的灵活调控。当平行光照射到亚波长散射体时，它的相位会发生突变，即非连续变化。将这种散射体排成一个面并精确控制每个单元的结构来控制光的相位，即可使平行光会聚到一点或发散。换句话说，超透镜可以使光的相位发生的变化与光经过凸透镜或凹透镜后发生的相位变化相同，即实现凸透镜或凹透镜的效果。而且，超透镜不仅了突破了传统材料的电磁属性，它的二维平面结构还克服了三维结构加工难度大等问题，为光学器件集成化、小型化提供便利。因此，超透镜作为平面结构仍可实现传统透镜的功能，而且还能带来降低显示设备的整体厚度的效果。发散超透镜是指平行光入射后会分散的超透镜，其能够实现凹透镜发散平行光的效果。会聚超透镜是指平行光入射后会汇集的超透镜，其能够实现凸透镜会聚平行光的效果。

成像元件110发射的虚拟图像穿过基板105到达第一光学元件115。第一光学115将成像元件110形成的虚拟图像放大并穿过基板105向人眼投射，使得人眼观察到放大的虚像。基板105可以是玻璃，也可以是其它透光材料。在一些实施例中，基板105的厚度可以在小于第一光学元件115的焦距的情况下接近焦距，以实现更好的显示效果。第一光学元件115可以对穿过其进入人眼的环境光产生影响，导致环境光无法在视网膜上呈现清晰的像。因此，可以采用第二光学元件120来校正第一光学元件115引起的像差。第二光学元件120的光学属性与第一光学元件115相反。具体来说，如果第一光学元件115对环境光起到扩散的作用，则第二光学元件120对环境光起会聚的作用，反之亦然。因此，第二光学元件120可以补偿由第一光学元件115对环境光造成的畸变。由于成像元件110发出的光按照从远眼侧107到近眼侧106的方向行进，且第二光学元件120相对于成像元件110距离基板105更远，因此第二光学元件120并不影响成像元件110形成的虚拟图像。在一些实施例中，第一光学元件115的光轴和第二光学元件120的光轴重合，并且成像元件110也位于第一光学元件115的光轴上。

图5A示意性地示出了根据本公开另一实施例的增强现实显示设备的局部截面图。如图5A所示，成像元件110位于基板105的近眼侧106，第一光学元件115位于基板105的远眼侧107。第一光学元件115可以是包括凹反射面的凹透反镜或包括反射面的发散超透镜。透反镜是同时具有透射和反射功能的透镜，凹透反镜的中间薄、边缘厚。凹透反镜的凹面面对成像元件，并且镀有反射膜。反射膜具有一定的透过率，以允许环境光的透射。在一些实施例中，透过率约为40% - 60%，优选约为50%。反射膜可以用常用技术形成在凹面上，例如沉积、等离子溅射等。图5B示意性地示出了凹面镜成像的原理。如图5B所示，位于透反镜的第一侧的物体发出的光的可被其反射，并形成放大的虚像。来自透反镜第二侧的光（例如，环境光505）可透射穿过该透返镜而到达第一侧并从第一侧出射。第一光学元件115面对成像元件110的一侧是凹反射面。在一些实施例中，凹反射面是抛物面并且成像元件110布置成接近凹反射面的焦平面处。成像元件110形成的初级虚拟图像510经过凹透反镜的凹反射面，穿过基板105向人眼反射。凹反射面将初级虚拟图像510放大为次级虚拟图像515。因此，具有凹反射面的凹透反镜也可实现放大虚拟图像并向人眼投射放大像的功能。另外，凹透反镜也具备透射功能。环境光能够透射穿过凹透反镜，并穿过基板105到达人眼。包括反射面的发散超透镜的效果和包括凹反射面的凹透反镜的效果类似。利用超透镜，可将成像元件110形成的虚拟图像放大并向人眼反射。超透镜的材料选用透明材料，这样环境光可以通过超透镜进入人眼。由于第一光学元件115有可能对穿过其入射到人眼的环境光产生影响，因此，在第一光学元件115远离基板105的一侧还提供了第二光学元件120。成像元件110发射的光被第一光学元件115向人眼反射，不会经过第二光学元件120，因此第二光学元件120不会影响成像元件形成的虚拟图像。第二光学元件120可以是凸透镜或会聚超透镜，从而会聚环境光，以补偿第一光学元件115对环境光的影响。应理解，虽然在图5A中，基板105位于成像元件110和第一光学元件115之间，但基板105也可以位于其它位置，例如成像元件110、第一光学元件115和第二光学元件120可以布置在基板的同一侧。

图6A示意性地示出了根据本公开又一实施例的增强现实显示设备的局部截面图。图6B示意性地示出了根据本公开再一实施例的增强现实显示设备的局部截面图。在这些实施例中，增强现实显示设备仍然包括成像元件110、第一光学元件115和第二光学元件120。增强现实显示设备还包括第三光学元件125。成像元件110和第一光学元件115布置在基板105的同一侧。成像元件110相对于所述第一光学元件115更靠近基板105。第三光学元件125与第一光学元件位于基板105的不同侧。第三光学元件125包括面向成像元件110的双曲反射面。成像元件110布置在第三光学元件125的焦平面处，根据双曲面的成像特点，从双曲面出射的光相当于将成像元件布置在双曲面的另一个焦点处而发出的光。通过这种布置，可以减小基板105的厚度。成像元件、双曲反射面和凹面透反镜的凹反射面之间的距离应当满足：双曲反射面的焦距与双曲反射面到凹面透反镜的凹反射面的距离的和小于凹反射面的焦距。可以在这些元件之间填充一些透明材料来形成这些距离。在图6A的实施例中，第一光学元件115是具有凹反射面的凹透反镜或具有反射面的发散超透镜，第二光学元件120是凸透镜或会聚超透镜。成像元件110位于基板的远眼侧107，并配置成按照由远眼侧107到近眼侧106的方向发射虚拟图像。第一光学元件115也位于基板105的远眼侧107，并且相对于成像元件110更远离基板105。第三光学元件125具有反射面，可以将来自于成像元件110的虚拟图像穿过基板105反射到第一光学元件115。具体地，第三光学元件125可以是包括凹反射面的反射镜。在一些实施例中，第三光学元件125的凹反射面是双曲面，且成像元件110位于该双曲面的焦平面上。第一光学元件110将由第三光学元件125反射的初级虚拟图像放大并反射到人眼。成像元件110到第三光学元件125的距离与第三光学元件125到第一光学元件115的反射面的距离的总和在小于第一光学元件115的反射面的焦距的情况下，尽量接近该焦距。可通过在成像元件110和第一光学元件之间填充透明材料来形成该布置。第二光学元件120仍起到补偿第一光学元件110对环境光的影响的作用。在图6B的实施例中，第一光学元件115是凸透镜或会聚超透镜，第二光学元件120是凹透镜或发散超透镜。成像元件110和第一光学元件115布置在基板105的第一侧106。第三光学元件125和第二光学元件120布置在基板105的第二侧107。有成像元件110发出的虚拟图像光经过第三光学元件125的反射被投射到第一光学元件115，并经过第一光学元件115形成虚拟图像。成像元件110到第三光学元件125的距离与第三光学元件125到第一光学元件115的距离在小于第一光学元件115的焦距的情况下，尽量接近该焦距。由于第三光学元件125的存在，在从成像设备110到第一光学元件115的光程不变的情况下，基板105变薄，更有利于设备的轻薄化。

应当理解，虽然上述内容提供了具体可以用作成像元件110、第一光学元件115、第二光学元件120、第三光学元件125的器件类型，但本公开并不限于这些具体类型。例如，虽然在一些实施例中，透镜或超透镜被用作光学元件，但应理解，任何能够实现放大成像元件110的虚拟图像、并将虚拟图像向人眼投射的光学器件都可用作第一光学元件115。任何能够允许环境光向人眼透射，并补偿第一光学元件115对环境光造成影响的光学设备都可以用作第二光学元件120。

取决于增强现实显示设备与人眼的距离，可能需要将放大虚像向人眼会聚。为此，在一些实施例中，如图1所示，成像元件110、第一光学元件115和第二光学元件120位于曲面基板上，并且通过调整曲面基板的厚度、曲率等参数，可以调整第一光学元件115的出光角度，以会聚放大虚像。术语曲面基板是指承载成像元件的基板是弯曲的。

另外，虽然第一光学元件115和第二光学元件120分别与成像元件110一一对应，但各第一光学元件115不一定是空间上独立的。也就是说，基板105上的各第一光学元件115可以作为一个整层结构的不同部分来实现，每个部分对应一个成像元件110，并且这些部分各自的光学属性针对其所对应的成像元件而相应地设置。也可以理解为，各第一光学元件115相连形成第一光学层。图7示意性地示出了根据本公开另一实施例的增强现实显示设备的结构。如图7所示，增强现实显示设备包括第一光学层。第一光学层包括第一自由曲面透镜116。第一自由曲面透镜116位于基板105的近眼侧。在这种情况下，一整块第一自由曲面透镜116代替所有的第一光学元件115。也就是说，每个成像元件110形成的虚拟图像会被其所对应的第一自由曲面透镜116的片段放大，并向人眼投射，即，第一自由曲面透镜116具有正光焦度。第一自由曲面透镜116配置成调制不同位置的光线，使得各成像元件110形成的虚拟图像最终入射至人眼中。由于环境光透射穿过第一自由曲面透镜116而产生畸变，因此，在基板105的远眼侧可以提供一整块具有负光焦度的第二光学层（例如第二自由曲面透镜121）以进行光学补偿。这样，环境光能够无畸变地入射至人眼中。人眼在正常观测周围环境的同时也能获取放大的虚拟图像，以实现近眼投影显示。第一自由曲面透镜可以直接贴在基板上。第二自由曲面透镜可以覆盖成像元件，并借助透明材料贴在基板上。

图8A示意性地示出了根据本公开又一实施例的增强现实显示设备的结构。如图8A所示，基板105可以是平面基板。成像元件110位于基板105的远眼侧，第一光学元件115位于基板105的近眼侧。在第一光学元件115远离基板105的一侧，还布置有一层平面全息体光栅117。图8B示意性地示出了透射式衍射光栅的原理。如图8B所示，一束平行光在经过全息体光栅117后发生变向，以向人眼的方向投射。根据平面光栅方程：，可以设置平面光栅的周期，以根据入射角调整衍射角，其中n₂表示入射光线所在介质的折射率，n₁表示衍射光线所在介质的折射率，即n₂和n₁取决于平面光栅前后布置的介质；φ表示入射角，θ表示衍射角，d表示光栅周期，j表示光在光栅内的衍射次数且j=±1、2、3…。该平面全息体光栅117包括若干子光栅118。取决于每个子光栅118对应的成像元件110的位置，子光栅118具有不同周期或光栅矢量方向。这些不同位置上的子光栅118对经第一光学元件115透射后的光线进行衍射，因此光线发生偏转。通过对不同位置的每个子光栅118进行具体设计，可以使光线按照预定方向传播，最终虚拟图像被会聚到人眼观察区域（Eye Box），以在人眼视网膜处形成放大且拼接的图像。通过应用平面全息体光栅117，可以使增强现实显示设备平面化，进一步减小设备体积，使其更轻薄。

图9A示意性地示出了根据本公开再一实施例的增强现实显示设备的结构。如图9A所示，增强现实显示设备并不包含第一光学元件。替代地，在基板105的近眼侧106设置全息透镜层119。图9B示意性地示出了全息透镜的成像原理。平面全息透镜具有两大功能，一是实现平面透镜对平面波的无球差会聚，模拟透镜各部分到焦点的光程与中心光线的光程的差异，补偿其所导致的位相延迟；二是实现平面透镜成像光路的偏转，在透镜位相的基础上增加一个光栅的位相分布，实现将大视场离轴成像转换成单个全息透镜的傍轴小角度成像。全息透镜层119包括多个全息透镜结构129。每个全息透镜结构129针对对应的成像元件110具体设计。成像元件110接近该全息透镜结构129的焦平面，使得成像元件110形成的初级虚拟图像在人眼明视距离处形成正立放大的次级虚拟图像。全息透镜层119中的每一个全息透镜结构129经特殊设计以形成不同的离轴全息图，并向人眼的方向折射。这样，不同位置处的成像元件发出的光最终向人眼会聚。全息结构能实现大视场离轴成像，因此，显示设备能够实现平面化和结构简单化，使得器件体积减小，利于加工。在基板105的远眼侧107设置有补偿全息透镜层122，其可以补偿全息透镜层119对入射到人眼的自然光的影响。

应理解，在上述关于自由曲面透镜、平面全息体光栅和全息透镜层的描述中，成像元件、对成像元件形成的虚拟图像进行放大的放大光学元件、以及补偿光学元件按照成像元件位于基板的远眼侧、放大光学元件位于基板的近眼侧、以及补偿光学元件位于基板的远眼侧并相对于成像元件距基板更远的方式来布置。其光路效果类似于图4。不过，成像元件、放大光学元件、以及补偿光学元件也可以按照图5A的方式布置，即成像元件位于基板的近眼侧、放大光学元件位于基板的远眼侧并配置成向人眼反射成像元件发射的虚拟图像、并且补偿光学元件位于基板的远眼侧并相对于放大光学元件距基板更远。另外，也不排除第三光学元件的存在。

根据本公开的另一方面，还提供了一种增强现实眼镜，其包括根据本公开实施例的增强现实显示设备。

综上，本公开提供了一种增强现实显示设备和增强现实眼镜。增强现实显示设备包括基板、成像元件和第一光学元件。成像元件配置成提供透射穿过所述基板的显示信息。第一光学元件配置成接收所述显示信息，并在所述基板的第一侧形成所述显示信息的放大像。

根据本公开的增强现实显示设备通过若干个附着在透明基板上的成像元件对人眼进行直接投影。成像元件显示的虚拟图像被放大光学元件放大和定向，在人眼视网膜上形成经拼接的完整放大虚像。具有微小尺寸的成像元件无法被人眼清晰观察，并且通过适当的像素渲染算法，成像元件的亮度可以与环境光融合，进而不影响对外界环境的观察。另外，为不影响人眼正常观看外界场景，还提供了补偿光学元件来补偿放大光学元件对环境光的影响。这样，环境光能无畸变地透过该增强现实显示设备进入人眼。该增强现实显示设备舍弃了传统的显示面板及光路折反系统，利用如LED、OLED之类的发光元件直接提供图像，减小了光线行进过程中的光能损失，因此可实现高光效成像，并且显著地减小了器件体积。本公开的增强现实显示设备结构简单、加工工艺难度低、且成本低。本发明将传统增强现实技术的外入图像源（例如，投影、OLED、L-cos等）集成到镜片之上，使得设备更为轻薄，且成本更低。同时由于不涉及微纳光栅结构，可以降低加工工艺难度，降低成本。相较于传统的透明显示技术，本申请公开的增强现实显示设备具有更轻薄、光效更高的特点，具有更高的应用价值。将领会，上面的实施例仅通过示例的方式描述。虽然实施例已在附图和前面的描述中详细地图示和描述，这样的图示和描述将被认为是说明性或示例性的并且不是约束性的，并且本发明不限制于所公开的实施例。另外，应理解，本申请各附图中的元件并不一定按比例绘制，附图中显示的尺寸并不表示各元件的实际尺寸或相对尺寸。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，可以理解和达成对所公开实施例的其它变型。权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一”不排除复数。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施的纯粹事实并不表示这些措施的组合不能用于获利。任何附图标记不应解释为限制范围。词语第一、第二、第三以及类似词语的使用并不表示任何的排序。这些词将被解释为名称。附图仅示意性地示出了某些实施例中的元件的布置顺序，并且并不用于限制元件之间的距离。

Claims (20)

1.一种增强现实显示设备，包括在一方向上堆叠的基板、成像元件和第一光学元件，其中

所述基板包括相对的第一侧和第二侧，

所述成像元件配置成显示由虚拟图像光形成的初级虚拟图像，以及

所述第一光学元件配置成接收透射穿过所述基板的所述虚拟图像光、对所述虚拟图像光进行定向以使所述初级虚拟图像被放大为次级虚拟图像、以及使所述虚拟图像光沿从所述第二侧到所述第一侧的方向从所述第一光学元件出射。

2.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，还包括第二光学元件，所述第二光学元件位于所述基板的所述第二侧，并且所述成像元件和所述第一光学元件均位于所述第二光学元件的同一侧，其中所述第二光学元件配置成校正沿从所述第二侧到所述第一侧的方向透射穿过所述第一光学元件的环境光。

3.根据权利要求2所述的增强现实显示设备，其中所述第一光学元件位于所述基板的所述第一侧，所述成像元件位于所述基板的所述第二侧且相对于所述第二光学元件更接近所述基板，

其中，所述第一光学元件是凸透镜或会聚超透镜，所述第二光学元件是凹透镜或发散超透镜。

4.根据权利要求2所述的增强现实显示设备，其中所述成像元件位于所述基板的所述第一侧，所述第一光学元件位于所述基板的所述第二侧且相对于所述第二光学元件更接近所述基板，

其中，所述第一光学元件是包括面向所述成像元件的凹反射面的凹透反镜或包括面向所述成像元件的反射面的发散超透镜，并且所述第二光学元件是凸透镜或会聚超透镜。

5.根据权利要求2所述的增强现实显示设备，还包括第三光学元件，其中，所述第三光学元件布置在所述基板的第二侧，所述成像元件和所述第一光学元件布置在所述基板的第一侧，所述成像元件相对于所述第一光学元件更靠近所述基板，所述第三光学元件相对于所述第二光学元件更靠近所述基板，

其中，所述第一光学元件是凸透镜或会聚超透镜，所述第二光学元件是凹透镜或发散超透镜，所述第三光学元件包括面向所述成像元件的反射面。

6.根据权利要求2所述的增强现实显示设备，还包括第三光学元件，其中，所述第三光学元件布置在所述基板的第一侧，所述成像元件和所述第一光学元件布置在所述基板的第二侧，所述成像元件相对于所述第一光学元件更靠近所述基板，所述第一光学元件相对于所述第二光学元件更靠近所述基板，

其中，所述第一光学元件是包括凹反射面的凹透反镜或包括反射面的发散超透镜，所述第二光学元件是凸透镜或汇聚超透镜，所述第三光学元件包括面向所述成像元件的反射面。

7.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其中多个所述成像元件之间存在间隙，且所述间隙配置成允许环境光透射穿过。

8.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其中多个所述第一光学元件中的每一个的光轴穿过由多个所述成像元件中的对应一个形成的初级虚拟图像的几何中心。

9.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其中所述基板是曲面基板，多个所述第一光学元件分离地位于所述曲面基板上，并且所述曲面基板配置成调整多个所述第一光学元件的出射角度，以会聚多个所述次级虚拟图像。

10.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其中所述基板是曲面基板，并且多个所述第一光学元件相连形成第一光学层，其中所述第一光学层包括自由曲面透镜。

11.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其中所述基板是平面基板，多个所述第一光学元件分离地位于所述平面基板上，并且所述增强现实显示设备还包括位于所述基板的所述第一侧、且相对于所述第一光学元件更远离所述基板的全息体光栅。

12.根据权利要求11所述的增强现实显示设备，其中所述全息体光栅包括多个子光栅，每个所述子光栅的光轴与多个所述第一光学元件中的对应一个的光轴重合，并且所述全息体光栅配置成会聚多个所述次级虚拟图像。

13.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其中所述基板是平面基板，并且多个所述第一光学元件相连形成第一光学层，其中所述第一光学层包括全息透镜。

14.根据权利要求1-13中的任一项所述的增强现实显示设备，其中所述成像元件是像素岛。

15.根据权利要求14所述的增强现实显示设备，其中所述像素岛包括不同颜色的多个像素。

16.根据权利要求15所述的增强现实显示设备，其中由多个所述像素岛各自发出的多个所述次级虚拟图像拼接成完整虚拟图像。

17.根据权利要求14所述的增强现实显示设备，其中所述像素岛包括相同颜色的多个像素。

18.根据权利要求16所述的增强现实显示设备，其中由相邻的像素颜色不同的所述像素岛形成的所述次级虚拟图像至少部分地重叠。

19.根据权利要求18所述的增强现实显示设备，其中由相同颜色的所述像素岛发出的相同颜色的次级虚拟图像彼此拼接，并且由不同颜色的所述像素岛发出的不同颜色的次级虚拟图像堆叠，以形成完整虚拟图像。

20.一种增强现实眼镜，包括根据权利要求1-19中的任一项所述的增强现实显示设备。