CN112147786A - 一种增强现实显示系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种增强现实显示系统，包括波导显示系统和近视调节光学元件；波导显示系统包括显示图像源和波导基底，以及设置于波导基底内的波导内反射面和波导反射出射面；近视调节光学元件具有相对的第一侧面和第二侧面，第一侧面用于与人眼相对，第二侧面完全贴附于波导基底的外表面；波导基底使来自显示图像源的光束以全反射的形式在波导内传播，并传导至波导内反射面上，波导内反射面用于将光束反射至波导反射出射面上，波导反射出射面用于将光束透过近视调节光学元件并反射至人眼。本申请的增强现实显示系统，其中的近视调节光学元件完全贴附于波导显示系统的波导基底上，因此在解决近视调节功能的同时，还具备体积小，整件成本低的特点。

Description

一种增强现实显示系统
技术领域
本申请属于光学技术领域，更具体地说，是涉及一种增强现实显示系统。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，简称AR)，增强现实技术也被称为扩增现实，其为促使真实世界信息和虚拟世界信息内容之间综合的一种新技术，将原本在现实世界的空间范围中难以进行体验的实体信息在电脑等科学技术的基础上，实施模拟仿真处理、叠加，进而将虚拟信息内容在真实世界中加以有效应用，其技术通过增强现实显示系统来实现。
现有的增强现实波导显示方案，例如阵列波导、衍射波导等，由于图像源的光线需要在波导基底上发生多次全反射，因此基于波导基底解决近视问题，只能采取外加近视镜片的方式，且近视镜片和波导基底之间需要留出一定的空气间隙，以满足全反射要。由于须考虑近视镜片和波导基底之间的间隙设置，因此显示方案的整体外体积偏大，造价成本较高。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种增强现实显示系统，以解决现有技术中存在的增强现实显示方案由于考虑近视镜片和波导基底之间的间隙而导致体积偏大且成本高的技术问题。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种增强现实显示系统，其包括波导显示系统和近视调节光学元件；其中
所述波导显示系统包括显示图像源和波导基底，以及设置于所述波导基底内的波导内反射面和波导反射出射面；所述近视调节光学元件具有相对的第一侧面和第二侧面，所述第一侧面用于与人眼相对，所述第二侧面完全贴附于所述波导基底的外表面；
所述波导基底使来自所述显示图像源的光束以全反射形式在波导基底内传播，并传导至所述波导内反射面上，所述波导内反射面用于将所述光束反射至所述波导反射出射面上，所述波导反射出射面用于将所述光束透过所述近视调节光学元件并反射至人眼。
在一些实施例中，所述近视调节光学元件为玻璃制件、塑料制件、液晶透镜、全息透镜、液体透镜中的任一种。
在一些实施例中，所述第二侧面完全胶合于所述波导基底的外表面。
在一些实施例中，所述近视调节光学元件和所述波导基底采用同类型材料一体化成型。
在一些实施例中，所述近视调节光学元件的顶端与所述波导基底的顶端平齐，所述近视调节光学元件的底端与所述波导基底的底端平齐。
在一些实施例中，所述近视调节光学元件的顶端与所述波导基底的顶端平齐，所述波导内反射面与所述近视调节光学元件的底端平齐并沿所述近视调节光学元件的厚度方向延伸至所述第一侧面。
在一些实施例中，所述近视调节光学元件的形状为平面、球面、自由曲面中的任一种。
在一些实施例中，所述波导基底上与所述第二侧面完全贴附的所述外表面的形状为平面或者曲面。
在一些实施例中，所述波导内反射面的形状为平面、球面、自由曲面中的任一种。
在一些实施例中，所述波导内反射面和所述波导反射出射面为全反射面或部分反射面。
与现有技术相比，本申请具有以下优点：
根据本申请的增强现实显示系统，近视调节光学元件一体化设置于波导显示系统的波导基底上，近视调节光学元件和波导基底完全贴附，因此，该增强现实显示系统在解决近视调节功能的同时，同时具备体积小，且整件成本降低的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请第一实施例提供的增强现实显示系统的结构示意图，其中，近视调节光学元件为玻璃制件；
图2为本申请第二实施例提供的增强现实显示系统的结构示意图；
图3为本申请第三实施例提供的增强现实显示系统的结构示意图；
图4为本申请第四实施例提供的增强现实显示系统的结构示意图，其中，近视调节光学元件和波导基底一体成型；
图5为本申请第一实施例提供的增强现实显示系统的结构示意图，其中，近视调节光学元件为液晶透镜；
图6为本申请第一实施例提供的增强现实显示系统的结构示意图，其中，近视调节光学元件为全息透镜；
图7为本申请第一实施例提供的增强现实显示系统的结构示意图，其中，近视调节光学元件为液体透镜。
其中，图中各附图标记：
1-显示图像源；2-波导基底；3-波导内反射面；4-波导反射出射面；5-近视调节光学元件。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要理解的是，术语“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申请和简化描述，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申请的限制。
此外，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。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
根据本申请的一个方面，提供了一种增强实现显示系统，包括波导显示系统和近视调节光学元件5。
其中，波导显示系统5包括显示图像源1和波导基底2，以及设置于所述波导基底1内的波导内反射面3和波导反射出射面4，波导基底2用于将来自显示图像源1的光束反射至波导内反射面3上，波导内反射面3用于将光束反射至波导反射出射面4上，波导反射出射面4用于将光束反射至人眼。其中，波导内反射面3和波导反射出射面4位于波导基底2的内部。
其中，近视调节光学元件5具有相对的第一侧面和第二侧面，第一侧面用于与人眼相对，第二侧面完全贴附于波导基底2的外表面，波导反射出射面4 用于将光束由第二侧面穿过第一侧面进而透过近视调节光学元件5并反射至人眼。
其中，所述完全贴附亦理解为第二侧面无任何间隙或点隙地贴附接触于波导基底2的外表面，亦或者，近视调节光学元件5和波导基底2一体注塑成型，两者无任何缝隙或点隙。
在一些实施例中，所述第二侧面和波导基底2的外表面紧密接触，两者在面内使用胶剂均匀胶合或在外围胶合，或者两者一体成型。
在一些实施例中，近视调节光学元件5可能为玻璃制件、塑料制件、液晶透镜、全息透镜、液体透镜中的任一种，或者也可为其他能够用于解决近视问题并可使来自波导反射出射面4的光束透穿的其他制件或透镜类。
在一些实施例中，近视调节光学元件5的形状可能为平面、球面、非球面、自由曲面中的任一项。需要说明的是，近视调节光学元件5的形状选取与近视调节光学元件5的类型选取有直接关联，形状和类型的组合方式多样化，可理解为根据实际需求选择。也应当理解，近视调节光学元件5和波导显示系统的选取类型可相同或不同。
例如，两者均可选取为玻璃制件，或者均选取为塑料制件。
再例如，两者中的一者选取玻璃制件，另一者选取为塑料制件。
再例如，近视调节光学元件选取液晶透镜、全息透镜、液体透镜中的任一种，波导显示系统选取玻璃制件或塑料制件中的任一种。
需要说明的是，上述各种近视调节光学元件仅为举例，本申请并不对近视调节光学元件进行限制，本领域技术人员用能理解，任何用于适配不同使用者近视调节的元件或结构，均应包含在本申请所述的近视调节光学元件的范围内。
请参阅图1-3所示，在一个实施例中，近视调节光学元件5和波导显示系统均选择玻璃制件，二者可直接胶合连接，近视调节光学元件5可以是球面、非球面或自由曲面近视镜。在制作时，可针对不同屈光度对近视调节光学元件 5进行设计，例如100度、200度、300度、400度、500度近视镜等。
请参阅图2所示，在一个实施例中，示出了一种增强现实显示系统的设计结构。近视调节光学元件5的顶端与波导基底2的顶端平齐，近视调节光学元件5的底端与波导基底2的底端平齐。该设计结构中，近视调节光学元件5的平面面积大致同于波导基底2的表面大小。
请参阅图3所示，在一个实施例中，示出了另一种增强现实显示系统的设计结构。近视调节光学元件5的顶端与波导基底2的顶端平齐，波导内反射面 3与近视调节光学元件4的底端平齐并沿近视调节光学元件4的厚度方向延伸至第一侧面。该设计结构中，波导基底2的底端向外延伸有一段长度形成一个凸台，近视调节光学元件5支撑于该凸台上，近视调节光学元件5的平面面积小于波导基底的表面大小。
请参阅图4所示，在一个实施例中，近视调节光学元件5和波导显示系统均选取为塑料制件，例如树脂。二者可单独注塑成型再胶合，或二者可一体注塑成型。近视调节光学元件5和波导基底均采用开模注塑的方案来进行加工，可进一步地降低重量级生产成本。
请参阅图5所示，在一个实施例中，近视调节光学元件5为液晶透镜，利用液晶透镜及菲涅尔波带片原理实现近视的自动调节。例如，针对不同的用户设置需要调节的近视度数，根据用户设置的度数对液晶透镜施加不同电压，调节液晶透镜上产生的菲涅尔波带片参数，进而实现对不同近视度数的调节。
其中，菲涅尔波带片是利用衍射原理使光线产生汇聚作用，其为现有技术，液晶透镜可作为一种近视调节光学元件使用为现有技术，本申请对液体透镜和相关的菲涅尔波带片原理不做详细赘述。
请参阅图6所示，在一个实施例中，近视调节光学元件5为全息透镜。全息透镜通过在全息介质上记录不同的相位函数来实现不同近视透镜的功能。
其中，全息透镜可作为一种近视调节光学元件使用为现有技术，本申请对全息透镜及其作用原理不做详细赘述。
请参阅图7所示，在一个实施例中，近视调节光学元件为液体透镜。液体透镜是将液体作为透镜并通过改变液体的曲率来改变焦距。现在较为成熟的液体透镜是利用介质上电润湿((Electrowetting，EW))原理的可变焦光透镜，其以通过外加电压改变液滴的形状，进而改变其焦距。具体设计时，可使用户设置需要调节的近视度数，根据用户设置的度数对液体透镜施加不同电压，调节液体透镜的面型，进而实现对不同近视度数的调节。
其中，液体透镜可作为一种近视调节光学元件使用为现有技术，本申请对液体透镜及其作用原理不做详细赘述。
需要说明的是，近视调节光学元件5为玻璃制件、塑料制件、液晶透镜、全息透镜、液体透镜中的任一种时，本申请提供的增强现实显示系统均可采用如图2和图3所示的任一种设计结构。
其中，显示图像源用于发出显示图像的光束，显示图像源包括但不限于： LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)、micro-OLED(micro Organic Light-Emitting Diode，微有机发光二极管)、micro-LED(micro Light-Emitting Diode，微发光二极管)、LCoS(Liquid Crystal onSilicon，液晶附硅)。
需要说明的是，上述各种显示图像源仅为举例，本申请并不对显示图像源进行限制，本领域技术人员用能理解，任何用于发出显示图像的光束的元件或结构，均应包含在本申请所述的显示图像源的范围内。
在一些实施例中，波导基底为平面基底；在另一些实施例中，波导基底为曲面基底。
在一些实施例中，所述波导内反射面的形状可能为平面、球面、非球面、自由曲面中的任一项，或者也可为其他能够用于实现将光束直接或间接地反射至所述波导反射出射面的形状。
在一些实施例中，来自显示图像源的光束先从波导基底反射至波导内反射面上，再从波导内反射面反射至波导基底上，再从波导基底反射至波导反射出射面上，之后从波导反射出射面直接反射至人眼。其中，来自显示图像源的光束在所述波导基底上经一次或多次发射后被反射至波导内反射面。
其中，光束在被反射至波导内发射面后，从波导内发射面反射至波导基底，并在波导基底上经由一次或多次反射后被反射至波导反射出射面。
在一些实施例中，波导基底使来自显示图像源的光束以全反射的形式在波导基底内传播，并传导至波导内反射面上，再从波导内反射面直接反射至波导反射出射面上，之后从波导反射出射面直接反射至人眼。
其中，来自显示图像源的光束在波导基底上经一次或多次发射后被反射至波导内反射面。
本申请提供的增强现实显示系统可用于头戴式设备中。其中，头戴式设备包括但不限于VR(Virtual Reality，虚拟现实)头戴式设备、AR(Augmented Reality，增强现实)头戴式设备、MR(Mixed Reality，混合现实)头戴式设备。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
尽管上文中用结构特征专用的语言描述了本申请的主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述具体特征。更确切而言，上述具体特征是作为实现权利要求的示例形式公开的。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种增强现实显示系统，其特征在于：包括波导显示系统和近视调节光学元件；其中：
所述波导显示系统包括显示图像源和波导基底，以及设置于所述波导基底内的波导内反射面和波导反射出射面；所述近视调节光学元件具有相对的第一侧面和第二侧面，所述第一侧面用于与人眼相对，所述第二侧面完全贴附于所述波导基底的外表面；
所述波导基底使来自所述显示图像源的光束以全反射的形式在波导基底内传播，并传导至所述波导内反射面上，所述波导内反射面用于将所述光束反射至所述波导反射出射面上，所述波导反射出射面用于将所述光束透过所述近视调节光学元件并反射至人眼。
2.如权利要求1所述的增强现实显示系统，其特征在于：所述近视调节光学元件为玻璃制件、塑料制件、液晶透镜、全息透镜、液体透镜中的任一种。
3.如权利要求1所述的增强现实显示系统，其特征在于：所述第二侧面完全胶合于所述波导基底的外表面。
4.如权利要求1所述的增强现实显示系统，其特征在于：所述近视调节光学元件和所述波导基底采用同类型材料一体化成型。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的增强现实显示系统，其特征在于：所述近视调节光学元件的顶端与所述波导基底的顶端平齐，所述近视调节光学元件的底端与所述波导基底的底端平齐。
6.如权利要求1-4中任意一项所述的增强现实显示系统，其特征在于：所述近视调节光学元件的顶端与所述波导基底的顶端平齐，所述波导内反射面与所述近视调节光学元件的底端平齐并沿所述近视调节光学元件的厚度方向延伸至所述第一侧面。
7.如权利要求1中任意一项所述的增强现实显示系统，其特征在于：所述近视调节光学元件的形状为平面、球面、自由曲面中的任一种。
8.如权利要求1所述的增强现实显示系统，其特征在于：所述波导基底上与所述第二侧面完全贴附的所述外表面的形状为平面或者曲面。
9.如权利要求1所述的增强现实显示系统，其特征在于：所述波导内反射面的形状为平面、球面、自由曲面中的任一种。
10.如权利要求1所述的增强现实显示系统，其特征在于：所述波导内反射面和所述波导反射出射面为全反射面或部分反射面。
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