CN111610635B - 一种ar光学系统及ar显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种AR光学系统及AR显示设备，涉及显示技术领域，以削弱外界杂散光的影响，提高虚拟画面的清晰度。AR光学系统，包括显示器、透明导光件、偏振分束光栅以及光波导，透明导光件位于显示器的出光侧，包括入光面、出光面、第一表面和第二表面；透明导光件被配置为使从显示器发出的光，从入光面进入透明导光件；偏振分束光栅设置在第一表面和第二表面，偏振分束光栅被配置为透射P偏振光以及反射S偏振光，使显示器发出的S偏振光在透明导光件内进行全反射，并从出光面耦出；光波导具有入光区和出光区，入光区用于接收从出光面耦出的光，光波导被配置为使从入光区耦入的光在其内进行全反射，并从出光区耦出至人眼。

Description

一种AR光学系统及AR显示设备

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种AR光学系统及AR显示设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，简称AR)技术通过计算机技术将虚拟信息混合到真实世界的场景中，使真实的环境和虚拟的画面实时地呈现到同一个画面中，可以实现真实世界信息和虚拟世界信息的相互补充和叠加，从而使用户具有身临其境的沉浸感。AR技术的目标就是把虚拟世界融合在现实世界场景并进行互动。

目前，AR显示设备主要以头戴式为主，例如AR眼镜。为了满足长期佩戴的舒适性，AR显示装置需要足够的轻薄化。在多种AR显示技术中，全息光波导技术以结构简单且体积小的平板波导作为光的传播媒质，利于实现AR显示装置的轻薄化。然而，受外界杂散光的影响下，AR显示设备展示的虚拟画面可能会出现重影或模糊的现象。

发明内容

本发明实施例提供一种AR光学系统及AR显示设备，以削弱外界杂散光的影响，提高虚拟画面的清晰度。

为达到上述目的，一方面，本发明实施例提供了一种AR光学系统，包括：显示器，显示器用于展示虚拟图像；透明导光件，位于显示器的出光侧，包括入光面、出光面、第一表面和第二表面；透明导光件被配置为使从显示器发出的光，从入光面进入透明导光件；偏振分束光栅，偏振分束光栅设置在第一表面和第二表面，偏振分束光栅被配置为透射P偏振光以及反射S偏振光，且偏振分束光栅可使显示器发出的S偏振光在透明导光件内进行全反射，并从出光面耦出；光波导，具有入光区和出光区，入光区用于接收从出光面耦出的光，光波导被配置为使从入光区耦入的光在其内进行全反射，并从出光区耦出至人眼。

进一步地，显示器为透明显示器，AR光学系统还包括：偏振调制器，位于透明显示器的背光侧，背光侧与出光侧相对，偏振调制器被配置为阻止S偏振光以及透射P偏振光。

进一步地，显示器为非透明显示器，AR光学系统还包括：偏振调制器，位于非透明显示器的出光侧，且沿非透明显示器发出的光的传播方向，偏振调制器位于透明导光件的前端，偏振调制器被配置为阻止P偏振光以及透射S偏振光。

更进一步地，偏振分束光栅为金属偏振光栅。

进一步地，偏振分束光栅的周期为40nm～240nm。

更进一步地，第一表面的偏振分束光栅和第二表面的偏振分束光栅的周期相同。

进一步的，偏振分束光栅的基底的透射率大于或等于92％。

进一步地，光波导内设有透反膜，透反膜被配置为使从入光区耦入的光的至少一部分在透反膜处反射，并从出光区垂直耦出至人眼。

进一步地，透反膜的数量为多个，多个在出光区并排分布，透反膜被配置为使从入光区耦入的光的一部分在透反膜处反射，并从出光区垂直耦出至人眼；以及，使从入光区耦入的光的一部分在透反膜处透射；其中，沿光的传播方向，多个透反膜的反射率依次变大，多个透反膜的透射率依次变小。

另一方面，本发明实施例还提供了一种AR显示设备，包括AR光学系统以及用于固定并使所述AR光学系统易于佩戴的光学系统框架。

本发明实施例提供的AR光学系统及AR显示设备，透明导光件第一表面或第二表面上设有偏振分束光栅，偏振分束光栅可以对入射的光进行有效的筛选。基于此，外界的光中的P偏振光可以透明导光件穿过第一表面和第二表面射向人眼，保证用户可以看到真实世界的场景；显示器发出的光中的S偏振光可以从入光面进入透明导光件，并在其内进行全反射，从出光面耦出至光波导，然后在光波导内全反射，并从出光区耦出至人眼，保证用户可以看到显示器展示的虚拟画面。另外，外界的光中的S偏振光无法穿过第一表面或第二表面进入透明导光件内部，避免了外界的光中的S偏振光穿过第一表面或第二表面进入透明导光件并随显示器发出的光中的S偏振光经过多次反射耦出至人眼，削弱外界杂散光的影响，提高虚拟画面的清晰度。

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获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种AR光学系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的透明显示器的AR光学系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的非透明显示器的AR光学系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的AR光学系统的偏振分束光栅的结构示意图；

图5为如图2所示的AR光学系统在入射光垂直入射时的反射率仿真结果图；

图6为如图2所示的AR光学系统在入射光垂直入射时的透射率仿真结果图；

图7为如图2所示的AR光学系统在入射光以45度倾斜角入射时的反射率仿真结果图；

图8为如图2所示的AR光学系统在入射光以45度倾斜角入射时的透射率仿真结果图。

附图标记：

1-显示器；11-透明显示器；12-非透明显示器；2-透明导光件；21-入光面；22-出光面；3-偏振分束光栅；4-光波导；41-透反膜；5-偏振调制器。

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做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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。

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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的一种AR光学系统的结构示意图；图2为本发明实施例提供的透明显示器的AR光学系统的结构示意图，图3为本发明实施例提供的非透明显示器的AR光学系统的结构示意图。

本发明实施例提供一种AR光学系统，如图1、图2和图3所示，包括显示器、透明导光件和光波导。

如图1、图2和图3所示，在本发明实施例的AR光学系统中，显示器1用于展示虚拟图像。具体的，显示屏1可以是液晶显示(Liquid Crystal Display，简称LCD)屏、机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，简称OLED)显示屏、有源矩阵量子点发光二极管(Quantum Dot Light Emitting Diodes，简称QLED)显示屏或发光二极管(Light EmittingDiodes，简称LED)显示屏或液晶附硅(Liquid Crystal on Silicon，简称LCOS)显示屏等任何具有显示功能的屏幕。

如图1、图2和图3所示，透明导光件2被配置为使从显示器1发出的光，从入光面21进入透明导光件2；其中，第一表面和第二表面为透明导光件2靠近人眼以及远离人眼的两个表面；第一表面和第二表面均设置有偏振分束光栅3，偏振分束光栅3被配置为透射P偏振光以及反射S偏振光。此处，透明导光件2作为偏振分束光栅3的基底，其透射率通常大于或等于92％，显示器1发出的光的利用率较高。具体的，透明导光件2具体可以采用玻璃、亚克力板等具有较高可见光透射率(例如可见光透射率≥92％)的光学材料制作形成。

需要说明的是，用光线的输入光束和反射光束所在的那个平面定义坐标系，如果光线的偏振矢量在这个平面内，则称为P偏振光，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为S偏振光。也就是说，光线的振动方向与光线的传播方向相同的光为P偏振光，光线的振动方向与光线的传播方向垂直的光为S偏振光。其中，任何一种输入偏振状态都可以表示为S偏振光和P偏振光的矢量和。

参阅图1、和图4，偏振分束光栅3设置在第一表面和第二表面，偏振分束光栅3被配置为透射P偏振光以及反射S偏振光，使显示器发出的S偏振光在透明导光件2内进行全反射，并从出光面22耦出。其中，偏振分束光栅3可以为表面浮雕光栅、体全息光栅、可控纳米光栅(例如液晶光栅、聚合物分散液晶(PolymerDispersed Liquid Crystal，简称PDLC)光栅)等任一种光栅或几种光栅的组合，具体可以根据实际情况选择确定，本发明实施例对此不做限定。

此处，鉴于金属偏振光栅对P偏振光具有高的透射特性以及对S偏振光具有高的反射特性，偏振分束光栅3通常为金属偏振光栅。示例性的，偏振分束光栅3为铝金属光栅。

请继续参阅图1，光波导4具有入光区和出光区，入光区用于接收从出光面22耦出的光，光波导4被配置为使从入光区耦入的光在其内进行全反射，并从出光区耦出至人眼。同样的，光波导4包括平板光波导，其具体可以采用玻璃、亚克力板等具有较高可见光透过率(例如可见光透过率≥92％)的光学材料制作形成。

由此，本发明实施例的AR光学系统，如图1、图2和图3所示，透明导光件2的第一表面或第二表面上设有偏振分束光栅3，偏振分束光栅3可以对入射的光进行有效的筛选。基于此，外界的光中的P偏振光可以透过透明导光件2的第一表面和第二表面射向人眼，保证用户可以看到真实世界的场景；显示器1发出的光中的S偏振光可以从入光面21进入透明导光件2，并在其内进行全反射，从出光面22耦出至光波导4，然后在光波导4内全反射，并从出光区耦出至人眼，保证用户可以看到显示器1展示的虚拟画面。另外，外界的光中的S偏振光无法穿过第一表面或第二表面进入透明导光件2内部，避免了外界的光中的S偏振光穿过第一表面或第二表面进入透明导光件2并随显示器1发出的光中的S偏振光经过多次反射耦出至人眼，削弱外界杂散光的影响，提高虚拟画面的清晰度。

需要说明的是，根据不同的应用场景，上述显示器1可以是透明显示器11，即外界的光可从显示器1的背侧穿过显示器，并从显示器1的出光侧射出，也就是说显示器1的出光侧射出的光包括外界射入的光以及显示器1本身发出的光；显示器1也可以是非透明显示器12，即外界的光不能从显示器1的背侧穿过显示器1射出，也就是说显示器1的出光侧射出的光仅为显示器1本身发出的光。

在一些实施例中，如图2所示，上述显示器1为透明显示器11，AR光学系统还包括偏振调制器5，偏振调制器5位于透明显示器11的背光侧，背光侧与出光侧相对，偏振调制器5被配置为阻止S偏振光以及透射P偏振光。基于此，外界的光经过偏振调制器5后，仅剩P偏振光可以从透明显示器11的背侧的穿过透明显示器11，并从透明显示器11的出光侧射出，也就是说透明显示器11的出光侧射出的光仅包括外界射入的P偏振光以及透明显示器11本身发出的光。这样，从入光面21进入透明导光件2的P偏振光经过偏振分束光栅3直接射入人眼；从入光面21进入透明导光件2的S偏振光经偏振分束光栅3反射至光波导4，并从光波导4的出光区耦出至人眼，从透明显示器11处射出的外界的光会直接射出透明导光件2，不会随着透明显示器11的S偏振光从出光区耦出至人眼，消除从透明显示器11背侧射入的外界杂散光的影响，且用户可以看到透明显示器11后方的真实世界信息，保证用户侧方的视野范围较广，安全性高。

在另一些实施例中，如图3所示，上述显示器1为非透明显示器12，AR光学系统还包括偏振调制器5，位于非透明显示器12的出光侧，且沿非透明显示器12发出的光的传播方向，偏振调制器5位于非透明显示器12的前端，偏振调制器5被配置为阻止P偏振光以及透射S偏振光。基于此，非透明显示器12的出光侧射出的光经过偏振调制器5后，仅剩非透明显示器12发出的光中的S偏振光可以从入光面21射入透明导光件2内。这样，从入光面21进入透明导光件2的光中的S偏振光反射至光波导4，并从光波导4出光区耦出至人眼，从非透明显示器12处射出的P偏振光不会穿过偏振调制器5射出至人眼，人眼不会直接看到非透明显示器12展示的虚拟图像，消除非透明显示器12本身画面的干扰，用户的体验感高。

需要说明的是，上述两个偏振调制器的功能如上所述，其具体可以为由旋光晶体材料组成的偏振调制光学元件，例如，偏振片。当然，其还可以为其他任何具有光学偏振功能的偏振调制光学元件，具体可以根据实际情况选择确定，本公开实施例对此不做限定。

在一些实施例中，上述透明导光件2的第一表面的偏振分束光栅3和第二表面的偏振分束光栅3的周期相同。如此设置，第一表面和第二表面的偏振分束光栅3的结构统一，无需区分，且第一表面和第二表面的偏振分束光栅3对接收到的S偏振光的反射角度调整度一致，这样有利于控制S偏振光从出光面22耦出至光波导4的入光区，并使得其在光波导4内进行全反射。

另外，鉴于偏振分束光栅3的周期越小，其透射率和反射率越大，以及，偏振分束光栅3的周期越小，其工艺难度越大、成本越高。因此，偏振分束光栅3选择合适的周期，可以在较低的成本下，获得的透明导光件2的第一表面和第二表面具有较高的透射率和反射率。在一种可行的实施方式中，偏振分束光栅3的周期为40nm～240nm，经多次实验证明，这样偏振分束光栅3即可保证较高的透射率和反射率，体积小，重量轻，且易于集成，成本较低。

如图2和图3所示，为了使在光波导4全反射的S偏振光从出光区耦出至人眼，上述光波导4内设有透反膜41，透反膜41被配置为使从入光区耦入的光的至少一部分在透反膜41处反射，并从出光区垂直耦出至人眼，显示器1展示的虚拟画面可以清晰的传递给用户。

进一步的，透反膜41的数量为多个，多个在出光区并排分布，透反膜41被配置为使从入光区耦入的光的一部分在透反膜41处反射，并从出光区垂直耦出至人眼；以及，使从入光区耦入的光的一部分在透反膜41处透射。这样的话，显示器1发出的S偏振光的出射范围较广，显示器1展示的虚拟画面的可视范围较广，有利于提升用户体验。其中，沿光的传播方向，多个透反膜41的反射率依次变大，多个透反膜41的透射率依次变小。

在一种可行的实施方式中，上述透反膜41的数量为4个，沿光线的传播方向，4个透反膜41的反射率依次为R1、R2、R3、R4，此处，4个透反膜41的反射率满足以下关系：

R1＝R2(1-R1)

＝R3(1-R1)(1-R2)

＝R4(1-R1)(1-R2)(1-R3)

为了更清楚的说明本发明实施例提供的AR光学系统所能取得的有益效果，下面将本发明实施例提供的AR光学系统通过时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，简称FDTD)仿真模拟。

图5和图6为如图2所示的AR光学系统在入射光垂直入射时的反射率以及透射率的仿真结果图；图7和图8为如图2所示的AR光学系统在入射光以45度倾斜角入射时的反射率以及透射率的仿真结果图。

其中，偏振分束光栅是由金属铝纳米矩形周期结构组成，基底的材料的折射率为1.44，即透明导光件的折射率为1.44。

示例一，波长为450nm、550nm、650nm的3种入射光分别以垂直于偏振分束光栅的方向入射，占空比为0.5，且偏振分束光栅的周期从40nm～240nm变化时，反射率及透射率结果如图5和图6所示。由图5和图6可知，在偏振分束光栅的周期和入射光的波长变化时，S偏振光的反射率均可达到0.9左右，S偏振光的透射率几乎为0；P偏振光的反射率大约在0.2以下，P偏振光的透过率可达到0.7以上。

示例二，波长为450nm、550nm、650nm的3种入射光分别与偏振分束光栅呈45度的夹角入射，占空比为0.5，且偏振分束光栅的周期从40nm～240nm变化时，反射率及透射率结果如图7和图8所示。由图7和图8可知，在偏振分束光栅的周期和入射光的波长变化时，S偏振光的反射率均可达到0.45左右，S偏振光的透射率几乎为0；P偏振光的反射率大约在0.23以下，P偏振光的透过率可达到0.5以上。

由上述可知，在光线以垂直于偏振分束光栅的方向入射或与偏振分束光栅呈45度的夹角入射时，偏振分束光栅均可以有效的将非偏振光分束，并且达到较高的透射率和反射率。

本发明实施例还提供一种AR显示设备，包括上述AR光学系统以及用于固定并使AR光学系统易于佩戴的光学系统框架。

与现有技术相比，本发明提供的AR显示设备的有益效果与上述技术方案提供的AR光学系统的有益效果相同，在此不做赘述。

其中，为了适用于用户佩戴，上述透明导光件通常设置在光波导边侧，且与光波导近似垂直。这样的话，光波导通常位于人眼的正前方，透明导光件位于人脸部的侧面。

另外，上述AR显示设备可以包括两个AR光学系统，两个AR光学系统包括第一AR光学系统以及与第一AR光学系统共用光波导的第二AR光学系统，第一AR光学系统的透明导光件和第二AR光学系统的透明导光件位于光波导相对的两侧，且第一AR光学系统的成像不遮挡第二AR光学系统的成像。这样的话，通过不同的光层差的虚拟画面，上述AR显示设备可以展示三维立体的虚拟画面。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种AR光学系统，其特征在于，包括：

显示器，所述显示器用于展示虚拟图像；

透明导光件，位于所述显示器的出光侧，包括入光面、出光面、第一表面和第二表面；所述透明导光件被配置为使从所述显示器发出的光，从所述入光面进入所述透明导光件；

偏振分束光栅，所述偏振分束光栅设置在所述第一表面和所述第二表面，所述偏振分束光栅被配置为透射P偏振光以及反射S偏振光，且所述偏振分束光栅可使所述显示器发出的所述S偏振光在所述透明导光件内进行全反射，并从所述出光面耦出；

光波导，具有入光区和出光区，所述入光区用于接收从所述出光面耦出的光，所述光波导被配置为使从所述入光区耦入的光在其内进行全反射，并从所述出光区耦出至人眼；

所述显示器的出光侧相对所述透明导光件的所述入光面倾斜设置，所述透明导光件和所述光波导呈L形，所述第一表面和所述第二表面平行设置在与所述光波导的轴向垂直的方向上。

2.根据权利要求1所述的AR光学系统，其特征在于，所述显示器为透明显示器，所述AR光学系统还包括：

偏振调制器，位于所述透明显示器的背光侧，所述背光侧与所述出光侧相对，所述偏振调制器被配置为阻止S偏振光以及透射P偏振光。

3.根据权利要求1所述的AR光学系统，其特征在于，所述显示器为非透明显示器，所述AR光学系统还包括：

偏振调制器，位于所述非透明显示器的出光侧，且沿所述非透明显示器发出的光的传播方向，所述偏振调制器位于所述透明导光件的前端，所述偏振调制器被配置为阻止P偏振光以及透射S偏振光。

4.根据权利要求2或3所述的AR光学系统，其特征在于，所述偏振分束光栅为金属偏振光栅。

5.根据权利要求4所述的AR光学系统，其特征在于，所述偏振分束光栅的周期为40nm～240nm。

6.根据权利要求5所述的AR光学系统，其特征在于，所述第一表面的所述偏振分束光栅和所述第二表面的所述偏振分束光栅的周期相同。

7.根据权利要求4所述的AR光学系统，其特征在于，所述偏振分束光栅的基底的透射率大于或等于92％。

8.根据权利要求1所述的AR光学系统，其特征在于，所述光波导内设有透反膜，所述透反膜被配置为使从所述入光区耦入的光的至少一部分在所述透反膜处反射，并从所述出光区垂直耦出至人眼。

9.根据权利要求8所述的AR光学系统，其特征在于，所述透反膜的数量为多个，多个在所述出光区并排分布，所述透反膜被配置为使从所述入光区耦入的光的一部分在所述透反膜处反射，并从所述出光区垂直耦出至人眼；以及，使从所述入光区耦入的光的一部分在所述透反膜处透射；

其中，沿光的传播方向，多个所述透反膜的反射率依次变大，多个所述透反膜的透射率依次变小。

10.一种AR显示设备，其特征在于，还包括权利要求1～9任一项所述的AR光学系统以及用于固定并使所述AR光学系统易于佩戴的光学系统框架。

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