CN112859342A - 用于增强现实的近眼显示装置和增强现实显示设备 - Google Patents
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Abstract
本公开是关于一种用于增强现实的近眼显示装置和增强现实显示设备，近眼显示装置，包括：显示源、准直系统和非偏振波导镜片；显示源，设置于准直系统的主光轴上，用于加载并输出图像；准直系统，位于显示源的出光面，用于将显示源输出的图像进行准直校正后入射到非偏振波导镜片，准直系统包括从物面开始到像面为止依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中，第一透镜为平凸透镜，第二透镜为平凹透镜，第三透镜为平凸透镜，第四透镜为平凸透镜；非偏振波导镜片，设置于准直系统的出射光路上，用于将耦入的光线耦出至人眼。通过该技术方案，提升波导镜片的光效，改善了最后的入眼亮度。
Description
技术领域
本公开涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种用于增强现实的近眼显示装置和增强现实显示设备。
背景技术
增强现实技术是将虚拟的图像投影到人眼的同时又可以让用户查看到周围的环境的技术，由于该技术独特的可将投影的图像叠加到用户感知的真实世界上的特点，使其在军事、工业设计与制造、医疗及娱乐等虚拟现实和增强现实领域得到了广泛的应用。
目前基于增强现实技术的近眼显示装置中的光学方案大多采用的是偏振阵列光波导方案，这种方案中的波导镜片大多都只能单独针对S偏振光波(偏振矢量垂直于该平面)或是P偏振光波(偏振矢量在这个平面内)进行光的耦出，波导镜片光效很低，从而使最后的入眼亮度大幅度下降，无法满足对某些特定工作场合作业时的入眼亮度需求。另一方面，正是由于偏振分光膜阵列波导镜片的设计需求使得基于增强现实技术的近眼显示装置中的光机准直系统大都采用偏振分光棱镜(PBS)方案，从而使光机重量偏重且成本较高。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种用于增强现实的近眼显示装置和增强现实显示设备，用以达到提高波导镜片的光效，改善最后入眼亮度的目的。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种用于增强现实的近眼显示装置，包括：显示源、准直系统和非偏振波导镜片；
所述显示源，设置于所述准直系统的主光轴上，用于加载并输出图像；
所述准直系统，位于所述显示源的出光面，用于将显示源输出的图像进行准直校正后入射到所述非偏振波导镜片，所述准直系统包括从物面开始到像面为止依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中，所述第一透镜为平凸透镜，所述第二透镜为平凹透镜，所述第三透镜为平凸透镜，所述第四透镜为平凸透镜；
所述非偏振波导镜片，设置于所述准直系统的出射光路上，用于将耦入的光线耦出至人眼。
在一个实施例中，优选地，所述非偏振波导镜片包括：耦入三角棱镜、波导板基底和非偏振分光膜阵列；
所述耦入三角棱镜，设置在所述波导板基底的耦入区域，用于使射入的光线耦合进入所述波导板基底；
所述波导板基底，用于将耦合进入所述波导板基底的光线采用全反射的方式传输至所述非偏振分光膜阵列；
所述非偏振分光膜阵列，设置在所述波导板基底的耦出区域，用于将传输至所述非偏振分光膜阵列的光线耦出至人眼。
在一个实施例中，优选地，所述非偏振分光膜阵列包括平行且倾斜设置的多个非偏振分光膜阵列基片，所述非偏振分光膜阵列可同时对S偏振光波和P偏振光波进行耦出。
在一个实施例中，优选地，所述多个非偏振分光膜阵列基片为等间距平行设置，任意两个非偏振分光膜阵列基片之间的间距均为预设间距，所述非偏振分光膜阵列基片的倾斜角度为预设角度。
在一个实施例中，优选地，非偏振分光膜阵列基片的倾斜面上镀有分光膜。
在一个实施例中，优选地，所述第一透镜的第一表面为平面，所述第一透镜的第二表面为凸面且为球面，所述第二透镜的第一表面为凹面，并且为球面，第二表面为平面，所述第三透镜的第一表面为平面，第二表面为凸面，且为球面，所述第四透镜的第一表面为平面，第二表面为凸面，并且为球面。
在一个实施例中，优选地，所述第二透镜的第二表面与所述第三透镜的第一表面相互胶合，使所述第二透镜和所述第三透镜形成整体的胶合透镜。
在一个实施例中，优选地，所述第四透镜的第二表面的凸面的曲率半径大于所述第一透镜的第二表面的凸面的曲率半径。
在一个实施例中，优选地，所述显示源包括可自发光、具有高亮度、高对比度的OLED显示屏。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种增强现实显示设备，包括：
如第一方面任一项所述的近眼显示装置。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明实施例中，近眼显示装置中的波导镜片为非偏振波导镜片，可同时对S偏振光波和P偏振光波进行耦出，这样不仅可以在不影响最终入眼光线的亮度均匀性的前提下，极大地提升波导镜片的光效，改善最后的入眼亮度，而且由于非偏振波导镜片的使用使得近眼显示装置中的光机准直系统设计可以不受传统光路设计的约束，采用全透镜式的光路设计。本发明的光机准直系统中透镜数量少，结构简单，可有效缩小体积及重量，适合人体佩戴，同时由于工艺要求低，易实现，所以极大地降低了制造成本。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种近眼显示装置的结构示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的Sony 0.39英寸OLED显示屏部分参数示意图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种近眼显示装置中准直系统的结构示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的准直系统中各透镜参数的示意图。
图5是根据一示例性实施例示出的准直系统的光学性能参数的示意图。
图6是根据一示例性实施例示出的一种近眼显示装置中准直系统的MTF图。
图7是根据一示例性实施例示出的一种近眼显示装置中准直系统的畸变曲线图。
图8是根据一示例性实施例示出的一种近眼显示装置中基于非偏振阵列波导镜片中光波传输的原理示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
图1是根据一示例性实施例示出的一种用于增强现实的近眼显示装置的结构示意图，如图1所示，近眼显示装置，包括：显示源11、准直系统12和非偏振波导镜片13；
所述显示源11，设置于所述准直系统的主光轴上，用于加载并输出图像。
显示源11为Sony 0.39英寸的自发光，且具有高亮度、高对比度、低功耗特性的OLED显示屏，Sony 0.39英寸OLED显示屏部分参数如图2中所示。
所述准直系统12，位于所述显示源的出光面，用于将显示源11输出的图像进行准直校正后入射到所述非偏振波导镜片13，如图3所示，所述准直系统12包括从物面开始到像面为止依次同轴设置的第一透镜121、第二透镜122、第三透镜123和第四透镜124，其中，所述第一透镜121为平凸透镜，所述第二透镜122为平凹透镜，所述第三透镜123为平凸透镜，所述第四透镜124为平凸透镜；
在一个实施例中，优选地，所述第一透镜121的第一表面为平面，所述第一透镜121的第二表面为凸面且为球面，所述第二透镜122的第一表面为凹面，并且为球面，第二表面为平面，所述第三透镜123的第一表面为平面，第二表面为凸面，且为球面，所述第四透镜124的第一表面为平面，第二表面为凸面，并且为球面。
在一个实施例中，优选地，所述第二透镜122的第二表面与所述第三透镜123的第一表面相互胶合，使所述第二透镜122和所述第三透镜123形成整体的胶合透镜。
在一个实施例中，优选地，所述第四透镜124的第二表面的凸面的曲率半径大于所述第一透镜121的第二表面的凸面的曲率半径。第一透镜121、第二透镜122、第三透镜123、第四透镜124的材料均为玻璃。光机准直系统中各透镜参数如图4中所示。
光机准直系统的光学性能参数如图5中所示。从图5中可知，该光机准直系统MTF>0.5@64lp，如图6中所示，成像质量良好，畸变小于0.5％，如图7中所示，轴向像差值以及色差值均在理想范围内，成像效果优良。
所述非偏振波导镜片13，设置于所述准直系统12的出射光路上，用于将耦入的光线耦出至人眼。
如图8所示，在一个实施例中，优选地，所述非偏振波导镜片13包括：耦入三角棱镜81、波导板基底82和非偏振分光膜阵列83；
所述耦入三角棱镜81，设置在所述波导板基底82的耦入区域，用于使射入的光线耦合进入所述波导板基底82；
所述波导板基底82，用于将耦合进入所述波导板基底82的光线采用全反射的方式传输至所述非偏振分光膜阵列83；
所述非偏振分光膜阵列83，设置在所述波导板基底82的耦出区域，用于将传输至所述非偏振分光膜阵列83的光线耦出至人眼。
在一个实施例中，优选地，所述非偏振分光膜阵列83包括平行且倾斜设置的多个非偏振分光膜阵列基片，所述非偏振分光膜阵列可同时对S偏振光波和P偏振光波进行耦出。
在一个实施例中，优选地，所述多个非偏振分光膜阵列基片为等间距平行设置，任意两个非偏振分光膜阵列基片之间的间距均为预设间距，所述非偏振分光膜阵列基片的倾斜角度为预设角度。具体的，该非偏振分光膜阵列波导镜片可以包括有四个非偏振分光膜阵列基片，所述四个非偏振分光膜阵列基片等距离排列，且间距为4.26mm，所述非偏振分光膜阵列基片与波导板基底的倾斜角为25度，所述非偏振分光膜阵列波导镜片的波导板基底厚度为2mm。
在一个实施例中，优选地，非偏振分光膜阵列基片的倾斜面上镀有分光膜。
如图8所示，准直系统出射的光经耦入三角棱镜入射到平板光波导内，在满足全反射条件时，耦入光线可在光波导中以全反射的方式向前传输至非偏振分光膜阵列，经非偏振分光膜阵列耦出至人眼成像，同时背景光通过波导镜片基底也进入人眼。该非偏振分光膜阵列，通过对膜系的优化设计，使得该非偏振分光膜阵列可同时对S偏振光波以及P偏振光波进行光的耦出，并通过设定好的每个非偏振分光膜对S偏振光波以及P偏振光波的分光比，使得可在不影响最终入眼光线亮度均匀性的前提下，极大地提升波导镜片的光效，改善最后的入眼亮度。
通过本发明的上述技术方案，近眼显示装置中的波导镜片为非偏振波导镜片，可同时对S偏振光波和P偏振光波进行耦出，这样不仅可以在不影响最终入眼光线的亮度均匀性的前提下，极大地提升波导镜片的光效，改善最后的入眼亮度，而且由于非偏振波导镜片的使用使得近眼显示装置中的光机准直系统设计可以不受传统光路设计的约束，采用全透镜式的光路设计。本发明的光机准直系统中透镜数量少，结构简单，可有效缩小体积及重量，适合人体佩戴，同时由于工艺要求低，易实现，所以极大地降低了制造成本。
基于相同的构思，本公开实施例还提供一种增强现实显示设备，包括上述技术方案中任意一项所述近眼显示装置。增强现实显示设备可以是AR眼镜或AR头盔等设备。
进一步可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种用于增强现实的近眼显示装置，其特征在于，包括：显示源、准直系统和非偏振波导镜片；
所述显示源，设置于所述准直系统的主光轴上，用于加载并输出图像；
所述准直系统，位于所述显示源的出光面，用于将显示源输出的图像进行准直校正后入射到所述非偏振波导镜片，所述准直系统包括从物面开始到像面为止依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中，所述第一透镜为平凸透镜，所述第二透镜为平凹透镜，所述第三透镜为平凸透镜，所述第四透镜为平凸透镜；
所述非偏振波导镜片，设置于所述准直系统的出射光路上，用于将耦入的光线耦出至人眼。
2.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述非偏振波导镜片包括：耦入三角棱镜、波导板基底和非偏振分光膜阵列；
所述耦入三角棱镜，设置在所述波导板基底的耦入区域，用于使射入的光线耦合进入所述波导板基底；
所述波导板基底，用于将耦合进入所述波导板基底的光线采用全反射的方式传输至所述非偏振分光膜阵列；
所述非偏振分光膜阵列，设置在所述波导板基底的耦出区域，用于将传输至所述非偏振分光膜阵列的光线耦出至人眼。
3.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述非偏振分光膜阵列包括平行且倾斜设置的多个非偏振分光膜阵列基片，所述非偏振分光膜阵列可同时对S偏振光波和P偏振光波进行耦出。
4.根据权利要求3所述的近眼显示装置，其特征在于，所述多个非偏振分光膜阵列基片为等间距平行设置，任意两个非偏振分光膜阵列基片之间的间距均为预设间距，所述非偏振分光膜阵列基片的倾斜角度为预设角度。
5.根据权利要求4所述的近眼显示装置，其特征在于，非偏振分光膜阵列基片的倾斜面上镀有分光膜。
6.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第一透镜的第一表面为平面，所述第一透镜的第二表面为凸面且为球面，所述第二透镜的第一表面为凹面，并且为球面，第二表面为平面，所述第三透镜的第一表面为平面，第二表面为凸面，且为球面，所述第四透镜的第一表面为平面，第二表面为凸面，并且为球面。
7.根据权利要求6所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第二透镜的第二表面与所述第三透镜的第一表面相互胶合，使所述第二透镜和所述第三透镜形成整体的胶合透镜。
8.根据权利要求6所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第四透镜的第二表面的凸面的曲率半径大于所述第一透镜的第二表面的凸面的曲率半径。
9.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示源包括可自发光、具有高亮度、高对比度的OLED显示屏。
10.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括：
如权利要求1至9中任一项所述的近眼显示装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210528 |