CN111025659B - 一种增强现实光学模组及增强现实设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种增强现实光学模组及增强现实设备。该增强现实光学模组用于使图像源发出的光线与环境光叠加形成增强现实图像，包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜组，第一透镜和第二透镜对可见光具有半透半反的作用；第三透镜组一侧设有第一偏振调制单元，用于将图像源发出的光线调制为第一圆偏振光；第一透镜一侧的第一表面设置有角度选择膜，角度选择膜对于入射角大于或等于第一夹角的光线反射，对于入射角小于或等于第二夹角的光线透射；第一透镜另一侧设置有第二偏振调制单元，第二偏振调制单元用于将入射的圆偏振光调制为线偏振光。本发明实施例的技术方案，可以有效消除环境光引起的干扰，提高用户体验。
Description
技术领域
本发明实施例涉及增强现实技术，尤其涉及一种增强现实光学模组及增强现实设备。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，“AR”)技术是一种利用投影系统产生虚拟图像以及真实世界的信息叠加来增加用户对现实世界感知的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。AR技术可广泛应用到军事、医疗、建筑、教育、工程、影视、娱乐等诸多领域。
现有的增强现实光学模组，一般包括两片半透半反透镜和一个第三透镜组，其中靠近人眼一侧的半透半反透镜一般与模组出射光的光轴呈45°夹角，在应用时，由于该半透半反透镜倾斜设置，其下方入射的环境光线也会照射到该半透半反透镜，被反射后进入人眼成像，产生干扰，导致用户体验下降。
发明内容
本发明实施例提供一种增强现实光学模组及增强现实设备，该增强现实光学模组可以有效消除环境光引起的干扰，提高用户体验。
第一方面，本发明实施例提供一种增强现实光学模组，用于使图像源发出的光线与环境光叠加形成增强现实图像，包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜组，所述第一透镜和所述第二透镜对可见光具有半透半反的作用；
所述第三透镜组一侧设置有第一偏振调制单元，所述第一偏振调制单元用于将所述图像源发出的光线调制为第一圆偏振光；
所述第一透镜一侧的第一表面设置有角度选择膜，所述角度选择膜对于入射角大于或等于第一夹角的光线反射，对于入射角小于或等于第二夹角的光线透射；
所述第一透镜另一侧设置有第二偏振调制单元，所述第二偏振调制单元用于将入射的圆偏振光调制为线偏振光；
所述图像源发出的光线的传输路径为：
所述图像源发出的光线经过所述第三透镜组和所述第一偏振调制单元透射，形成所述第一圆偏振光，所述第一圆偏振光以第一入射角入射至所述角度选择膜发生反射，反射光入射至所述第二透镜的第一表面再次发生反射，二次反射光以第二入射角入射至所述角度选择膜发生透射，再经过所述第一透镜和所述第二偏振调制单元透射后形成成像光线；
所述环境光的传输路径为：
环境光经过所述第二透镜透射，透射光以第三入射角入射至所述角度选择膜发生透射，再经过所述第一透镜和所述第二偏振调制单元透射后出射，与所述成像光线叠加；
其中，所述第一入射角大于或等于所述第一夹角，所述第二入射角和所述第三入射角均小于或等于所述第二夹角。
可选的，还包括第三偏振调制单元，设置于所述第二透镜背离所述第一透镜的一侧，所述第三偏振调制单元用于防止入射至所述第二透镜的第一圆偏振光透射。
可选的，所述第一偏振调制单元包括第一吸收型偏振片和第一四分之一波片，所述第一四分之一波片位于所述第一吸收型偏振片背离所述图像源的一侧。
可选的，所述第二偏振调制单元包括第二吸收型偏振片和四分之三波片，所述四分之三波片位于第二吸收型偏振片和所述第一透镜的之间。
可选的，所述四分之三波片包括一四分之一波片和二分之一波片的组合。
可选的，所述第三偏振调制单元包括第三吸收型偏振片和第二四分之一波片，所述第三吸收型偏振片位于所述第二四分之一波片和所述第二透镜之间。
可选的，所述第一透镜为平板分光反射镜。
可选的，所述第一透镜的第一表面为球面、非球面或自由曲面的任意一种。
可选的，所述第二透镜为的第一表面为球面、非球面或自由曲面的任意一种。
可选的，所述第二透镜的第一表面镀有半透半反膜。
可选的，所述第三透镜组包括至少一片透镜。
第二方面，本发明实施例还提供一种增强现实设备，包括显示屏以及上述任意一种增强现实光学模组；
所述增强现实光学模组的第三透镜组位于所述显示屏的出光侧。
可选的，所述显示屏包括液晶显示屏或有机发光显示屏。
本发明实施例提供的增强现实光学模组，包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜组，第一透镜和第二透镜对可见光具有半透半反的作用；通过在第三透镜组一侧设置第一偏振调制单元，第一偏振调制单元将图像源发出的光线调制为第一圆偏振光；通过在第一透镜一侧的第一表面设置角度选择膜，角度选择膜对于入射角大于或等于第一夹角的光线反射，对于入射角小于或等于第二夹角的光线透射；通过在第一透镜另一侧设置第二偏振调制单元，第二偏振调制单元将入射的圆偏振光调制为线偏振光；图像源发出的光线经过第三透镜组和第一偏振调制单元透射，形成第一圆偏振光，第一圆偏振光以大于或等于第一夹角的第一入射角入射至角度选择膜发生反射，反射光入射至第二透镜的第一表面再次发生反射，二次反射光以小于或等于第二夹角第二入射角入射至角度选择膜发生透射，再经过第一透镜和第二偏振调制单元透射后形成成像光线；环境光经过第二透镜透射，透射光以小于或等于第二夹角的第三入射角入射至角度选择膜发生透射，再经过第一透镜和第二偏振调制单元透射后出射，与成像光线叠加形成增强现实图像；增强现实光学模组下方的干扰光线入射到第二偏振控制单元透射形成第二圆偏振光，第二圆偏振光以大于或等于第一夹角的入射角入射至角度选择膜发生反射，再次经过第二偏振控制单元调制时不会透射，从而使增强现实图像中无杂光干扰，人眼不会看到不需要的像，提升用户体验。
附图说明
图1为现有技术中一种增强现实光学模组的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种增强现实光学模组的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种增强现实光学模组的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种增强现实光学模组的结构示意图；
图5为本实施例中的光学系统的光学传递函数MTF曲线示意图；
图6为本发明实施例提供的又一种增强现实光学模组的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种增强现实设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。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。
图1所示为现有技术中一种增强现实光学模组的结构示意图。参考图1，该增强现实光学模组包括第一半透半反透镜1、第二半透半反透镜2和第三透镜3，用于使显示屏4发出的光线和环境光叠加产生增强现实效果。其基本原理为：显示屏4发出的光线经过第三透镜3后照射到第一半透半反透镜1上，由第一半透半反透镜1反射至第二半透半反透镜2，第二半透半反透镜2再次反射，然后透过第一半透半反透镜1后射入人眼5；环境光直接透过第二半透半反透镜2和第一半透半反透镜1射入人眼5，在视网膜上成像。从而将显示屏4产生的虚拟图像叠加在真实环境中，形成增强现实效果。其中，图1中箭头仅是示意性表示光光线的传播方向，实际光线传输时由于透镜折射等作用会出现偏折，图1中未示出。参考图1，由于第一半透半反透镜1倾斜放置，增强现实光学模组下方的环境光线入射到第一半透半反透镜1发生反射后入射到人眼，会形成干扰图像，影响增效现实的成像效果。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种增强现实光学模组，图2所示为本发明实施例提供的一种增强现实光学模组的结构示意图，用于使图像源发出的光线与环境光叠加形成增强现实图像，包括第一透镜10、第二透镜20以及第三透镜组30。第一透镜10和第二透镜20对可见光具有半透半反的作用；第三透镜组30一侧设置有第一偏振调制单元40，第一偏振调制单元40用于将图像源100发出的光线调制为第一圆偏振光；第一透镜10一侧的第一表面101设置有角度选择膜11，角度选择膜11对于入射角大于或等于第一夹角的光线反射，对于入射角小于或等于第二夹角的光线透射；第一透镜10另一侧设置有第二偏振调制单元12，第二偏振调制单元12用于将入射的圆偏振光调制为线偏振光。图像源100发出的光线的传输路径为：图像源100发出的光线经过第三透镜组30和第一偏振调制单元40透射，形成第一圆偏振光，第一圆偏振光以第一入射角入射至角度选择膜11发生反射，反射光入射至第二透镜20的第一表面201再次发生反射，二次反射光以第二入射角入射至角度选择膜11发生透射，再经过第一透镜10和第二偏振调制单元12透射后形成成像光线。环境光的传输路径为：环境光经过第二透镜20透射，透射光以第三入射角入射至角度选择膜11发生透射，再经过第一透镜10和第二偏振调制单元12透射后出射，与成像光线叠加；其中，第一入射角大于或等于第一夹角，第二入射角和第三入射角均小于或等于第二夹角。
可以理解的是，图像源100可以为显示屏，例如可以是液晶显示屏、有机发光显示屏等，用于提供图像，图像源100的出光面朝向第三透镜组30，第三透镜组30可以用于放大图像源100输出的图像，可选的，第三透镜组30包括至少一片透镜。示例性的，图2中所示的第三透镜组30包括一片凸透镜，在其他实施例中，第三透镜组30可以包括一个透镜或多个透镜形成的组合，以达到图像清晰度的要求，本发明实施例对具体第三透镜组30的结构不作限定，以下实施例均以第三透镜组30包括一片透镜为例。具体实施中，第一偏振调制单元40可以包括偏振片和四分之一波片的组合，偏振片将图像源100发出的光线调制为线偏振光，四分之一波片将线偏振光调制为第一圆偏振光。第一透镜10和第二透镜20均为半透半反透镜，例如可以为50/50分光比的半透半反透镜。示例性的，在某一实施例中，角度选择膜11对入射角大于或等于42°的光线反射，入射角小于或等于28°时透射，第三透镜组30出射的第一圆偏振光入射到第一透镜10第一表面101的角度选择膜11时，入射角为42°～54°，角度选择膜11起到反射作用，将光线反射至第二透镜20，在第一透镜10和第二透镜20之间发生一次折返后再次入射至第一透镜10，此时的入射角为0～26°，角度选择膜11起到透射作用，经过第二偏振调制单元调制为线偏振光透射后入射至人眼200，人眼200即可观察到图像源100的像。由于第一透镜10和第二透镜20对可见光具有半透半反作用，外界环境光入射到第二透镜20时会部分透射入射至第一透镜10，入射角小于或等于28°的部分光线再次透射后入射至人眼200，人眼200可以观察到增强现实图像。
本实施例中，第二偏振调制单元12还用于阻挡干扰光，对于增强现实光学模组下方的干扰光，透过第二偏振调制单元12后变成第二圆偏振光，入射到角度选择膜11时入射角大于45°，将会被角度选择膜11反射，再次经过第二偏振调制单元12时被吸收，阻止干扰光通过第一透镜10反射至人眼200，从而有效提高增强现实光学模组的抗干扰性能。
需要说明的是，图2中所示的第一偏振调制单元40位于图像源100和第三透镜组30之间只是示意性的，在其他实施例中，第一偏振调制单元40可以位于第三透镜组30背离图像源100的一侧，只需使入射至第一透镜10的光线形成第一圆偏振光即可。上述实施例中角度选择膜11发生反射和透射的入射角角度仅是示意性的，具体实施时可以根据实际结构选择合适的角度选择膜。
本发明实施例的技术方案，通过在第三透镜组一侧设置第一偏振调制单元，第一偏振调制单元将图像源发出的光线调制为第一圆偏振光；通过在第一透镜一侧的第一表面设置角度选择膜，角度选择膜对于入射角大于或等于第一夹角的光线反射，对于入射角小于或等于第二夹角的光线透射；通过在第一透镜另一侧设置第二偏振调制单元，第二偏振调制单元将入射的圆偏振光调制为线偏振光；图像源发出的光线经过第三透镜组和第一偏振调制单元透射，形成第一圆偏振光，第一圆偏振光以大于或等于第一夹角的第一入射角入射至角度选择膜发生反射，反射光入射至第二透镜的第一表面再次发生反射，二次反射光以小于或等于第二夹角第二入射角入射至角度选择膜发生透射，再经过第一透镜和第二偏振调制单元透射后形成成像光线；环境光经过第二透镜透射，透射光以小于或等于第二夹角的第三入射角入射至角度选择膜发生透射，再经过第一透镜和第二偏振调制单元透射后出射，与成像光线叠加形成增强现实图像；增强现实光学模组下方的干扰光线入射到第二偏振控制单元透射形成第二圆偏振光，第二圆偏振光以大于或等于第一夹角的入射角入射至角度选择膜发生反射，再次经过第二偏振控制单元调制时不会透射，从而使增强现实图像中无杂光干扰，人眼不会看到不需要的像，提升用户体验。
在上述实施例的基础上，图3所示为本发明实施例提供的另一种增强现实光学模组的结构示意图。参考图3，可选的，第一偏振调制单元40包括第一吸收型偏振片41和第一四分之一波片42，第一四分之一波片42位于第一吸收型偏振片41背离图像源100的一侧。
可以理解的是，第一吸收型偏振片41将图像源100发出的光线调制为线偏振光，第一四分之一波片42将线偏振光调制为第一圆偏振光。吸收型偏振片指的是透射p光，吸收s光的偏振片，其中p光的偏振方向在入射光线和法线所成的平面(入射面)内，s光的偏振方向与入射面垂直。在其他实施例中，例如图像源100出射的光线为线偏振光时，第一偏振调制单元40可以不设置第一吸收型偏振片41。
继续参考图3，可选的，第二偏振调制单元12包括第二吸收型偏振片121和四分之三波片122，四分之三波片122位于第二吸收型偏振片121和第一透镜10的之间。
可以理解的是，四分之三波片122用于将第一圆偏振光调制为p光，p光经过第二吸收型偏振片121透射形成成像光线。在具体实施中，可以将角度选择膜11和第二偏振调制单元12分别贴附于第一透镜10的两个表面，以简化支撑和固定结构。第二偏振调制单元12遮挡干扰光的原理为：干扰光透过第二吸收型偏振片121后由自然光变成p光，经过四分之三波片122后，变成第二圆偏振光，入射到角度选择膜11发生反射，再次入射到经过四分之三波片122后变成s光，被第二吸收型偏振片121吸收，不会进入人眼200形成鬼像。可选的，四分之三波片包括一四分之一波片和二分之一波片的组合。具体实施时可以根据实际情况设计。
继续参考图1，由于第二半透半反透镜2具有半透半反作用，第一半透半反透镜1反射到第二半透半反透镜2的部分光线会通过第二半透半反透镜2透射(图1中虚线表示)，造成隐私泄露。图4所示为本发明实施例提供的又一种增强现实光学模组的结构示意图。参考图4，可选的，本实施例提供的增强现实光学模组还包括第三偏振调制单元50，设置于第二透镜20背离第一透镜10的一侧，第三偏振调制单元50用于防止入射至第二透镜20的第一圆偏振光透射。
可以理解的是，通过设置第三偏振调制单元50，阻挡被角度选择膜11反射到第二透镜20的部分的圆偏振光出射，从而起到保护用户隐私的作用，而入射的环境光为自然光，可以经过第三偏振调制单元50后部分透射，从而不影响增强现实的功能。示例性的，第三偏振调制单元50可以包括四分之一波片和偏振片的组合，四分之一波片将第一圆偏振光调制为线偏振光，然后设置偏振片的吸收轴与该线偏振光的偏振方向平行，从而阻挡光线透过。
可选的，继续参考图4，第三偏振调制单元50包括第三吸收型偏振片51和第二四分之一波片52，第三吸收型偏振片51位于第二四分之一波片52和第二透镜20之间。
可以理解的是，具体实施中，第三偏振调制单元50可以贴附于第二透镜20的表面，以减少固定和支撑结构，简化增强现实光学模组的结构。在其他实施例中，第三偏振调制单元50还可以为其他组合，例如多层偏振片和四分之一波片的组合，只需要满足阻挡第一圆偏振光出射，而且不影响外界环境光透射即可。
可选的，继续参考图3或图4，第一透镜10可以为平板分光反射镜。
可以理解的是，在本实施例中，通过设置第一透镜10为平板分光反射镜，平板分光反射镜上的角度选择膜11将光线直接反射至第二透镜20，避免在光线转折时导致较大像差。
可选的，第一透镜10的第一表面101为球面、非球面或自由曲面的任意一种。
可选的，第二透镜20的第一表面201为球面、非球面或自由曲面的任意一种。
示例性的，在某一实施例中，第一透镜10的第一表面101和第二透镜20的第一表面201均为自由曲面，其面型满足：
其中，c为曲率半径，k为二次曲面系数，ρ2＝x2+y2，N为级数中的多项式系数的总数，Ai为第i项扩展式的系数，Ei(x,y)为关于x和y的扩展多项式，该多项式只是在x，y方向的幂级数，x和y等位置的数据值都会除以一个归一化半径，得到一个没有量纲的多项式系数。表1所示为第一透镜10的第一表面101和第二透镜20的第一表面201的面型参数：
表一自由曲面面型参数
第三透镜组30包括一非球面透镜，非球面透镜至少一个表面为非球面，用于校正轴外像差，其面型方程满足：
其中，c为曲率半径，k为二次曲面系数，ρ2＝x2+y2，a1～a6分别为各偶次项对应的系数，表2所示为非球面面型参数：
表2非球面面型参数
图5所示为本实施例中的光学系统的光学传递函数MTF曲线示意图，该光学系统可以使得各视场(中心及边缘视场)的MTF在空间分辨率60lp/mm(线对/毫米)处大于0.3，具有良好的成像性能。
可选的，第二透镜的第一表面镀有半透半反膜。
示例性的，图6所示为本发明实施例提供的又一种增强现实光学模组的结构示意图。参考图6，第二透镜20的第一表面201镀有半透半反膜210。
可以理解的是，在某一实施例中，半透半反膜210可以具有50/50的分光比。在其他实施例中，半透半反膜210也可以设置于另一个表面，还可以根据实际需求设计半透半反膜210的透反比，从而实现虚拟像和环境光亮度比的调节，例如需要环境光亮度比较高时，可以设置半透半反膜210的透反比为60/40，从而透过较多的环境光；需要图像源的像亮度比较高时，可以设置半透半反膜210的透反比为40/60，在具体实施时可以根据实际需要设计，以适应不同的应用场景。进一步的，在某一实施例中，还可以设计半透半反膜210全部反射，此时可以作为虚拟现实光学模组使用。
图7所示为本发明实施例提供的一种增强现实设备的结构示意图，参考图7，本实施例提供的增强现实设备包括显示屏300以及上述任意一种增强现实光学模组400；增强现实光学模组400的第三透镜组位于显示屏300的出光侧。可选的，显示屏300包括液晶显示屏或有机发光显示屏。
其中，显示屏300还可以为硅基有机发光显示屏，硅基有机发光显示屏以单晶硅片为基底，像素尺寸约为传统显示器的1/10，具有功耗低、体积小、分辨率高等优点，非常适用于近距离观察的增强现实设备。
本发明实施例提供的增强现实设备，包括上述实施例提供的任意一种增强现实光学模组，具备相同或相应的技术效果，此处不再详述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (12)
1.一种增强现实光学模组，其特征在于，用于使图像源发出的光线与环境光叠加形成增强现实图像，包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜组，所述第一透镜和所述第二透镜对可见光具有半透半反的作用；
所述第三透镜组一侧设置有第一偏振调制单元，所述第一偏振调制单元用于将所述图像源发出的光线调制为第一圆偏振光；所述第一偏振调制单元包括第一吸收型偏振片和第一四分之一波片，所述第一四分之一波片位于所述第一吸收型偏振片背离所述图像源的一侧；
所述第一透镜一侧的第一表面设置有角度选择膜，所述角度选择膜对于入射角大于或等于第一夹角的光线反射，对于入射角小于或等于第二夹角的光线透射；
所述第一透镜另一侧设置有第二偏振调制单元，所述第二偏振调制单元用于将入射的圆偏振光调制为线偏振光；
所述图像源发出的光线的传输路径为：
所述图像源发出的光线经过所述第三透镜组和所述第一偏振调制单元透射，形成所述第一圆偏振光，所述第一圆偏振光以第一入射角入射至所述角度选择膜发生反射，反射光入射至所述第二透镜的第一表面再次发生反射，二次反射光以第二入射角入射至所述角度选择膜发生透射，再经过所述第一透镜和所述第二偏振调制单元透射后形成成像光线；
所述环境光的传输路径为：
环境光经过所述第二透镜透射，透射光以第三入射角入射至所述角度选择膜发生透射，再经过所述第一透镜和所述第二偏振调制单元透射后出射，与所述成像光线叠加；
其中，所述第一入射角大于或等于所述第一夹角，所述第二入射角和所述第三入射角均小于或等于所述第二夹角。
2.根据权利要求1所述的增强现实光学模组，其特征在于，还包括第三偏振调制单元，设置于所述第二透镜背离所述第一透镜的一侧，所述第三偏振调制单元用于防止入射至所述第二透镜的第一圆偏振光透射。
3.根据权利要求1所述的增强现实光学模组，其特征在于，所述第二偏振调制单元包括第二吸收型偏振片和四分之三波片，所述四分之三波片位于第二吸收型偏振片和所述第一透镜的之间。
4.根据权利要求3所述的增强现实光学模组，其特征在于，所述四分之三波片包括一四分之一波片和二分之一波片的组合。
5.根据权利要求2所述的增强现实光学模组，其特征在于，所述第三偏振调制单元包括第三吸收型偏振片和第二四分之一波片，所述第三吸收型偏振片位于所述第二四分之一波片和所述第二透镜之间。
6.根据权利要求1所述的增强现实光学模组，其特征在于，所述第一透镜为平板分光反射镜。
7.根据权利要求1所述的增强现实光学模组，其特征在于，所述第一透镜的第一表面为球面、非球面或自由曲面的任意一种。
8.根据权利要求1所述的增强现实光学模组，其特征在于，所述第二透镜的第一表面为球面、非球面或自由曲面的任意一种。
9.根据权利要求1所述的增强现实光学模组，其特征在于，所述第二透镜的第一表面镀有半透半反膜。
10.根据权利要求1所述的增强现实光学模组，其特征在于，所述第三透镜组包括至少一片透镜。
11.一种增强现实设备，其特征在于，包括显示屏以及权利要求1～10任一所述的增强现实光学模组；
所述增强现实光学模组的第三透镜组位于所述显示屏的出光侧。
12.根据权利要求11所述的增强现实设备，其特征在于，所述显示屏包括液晶显示屏或有机发光显示屏。
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