CN115047630A - 一种ar光学系统及ar装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种AR光学系统及AR装置，用于解决现有的AR光学系统存在漏光现象的技术问题。本发明中的AR光学系统包括显示屏、第一偏振组件、第二偏振组件以及具有预设透反比的第一自由曲面镜；第一偏振组件位于显示屏的出光光路上，第一自由曲面镜位于第一偏振组件的反射光路上，第一偏振组件位于第一自由曲面镜的反射光路上，第二偏振组件设置于第一自由曲面镜远离第一偏振组件的表面上；显示屏的出光光线经过第一偏振组件偏振调节后被第一偏振组件反射至第一自由曲面镜，被第一自由曲面镜所反射的光线再次经过第一偏振组件偏振调节后进入人眼，而透过第一自由曲面镜的光线则被第二偏振组件吸收。

Description

一种AR光学系统及AR装置
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装置。
背景技术
增强现实技术(Augmented Reality，简称AR)，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术。这种技术将虚拟信息叠加到真实世界的场景中，实现真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成。
目前，主流的基于几何光学的AR光学系统的结构如附图5所示，显示屏发出的光线经过一个倾斜的半反半透膜，到达自由曲面镜，经自由曲面镜反射后再次到达半透半反膜，透射进入人眼，在这种方案下会出现一个问题，显示屏发出的光线经过半反半透膜后有一部分光线会垂直出射照射到人脸上，造成漏光现象，这不仅会泄露用户观看的显示屏内容，还会让人感觉不适，另外由于该光学系统采用了两片半透半反膜，使得进入人眼的光效不到显示屏亮度的25％，变得非常低，同时到达自由曲面镜的部分光也会透出去，同样会造成漏光现象。
因此，寻找一种能够解决上述技术问题的AR光学系统及AR装置成为本领域技术人员所研究的重要课题。
发明内容
本发明实施例公开了一种AR光学系统及AR装置，用于解决现有的AR光学系统存在漏光现象的技术问题。
本发明实施例提供了一种AR光学系统，包括显示屏、第一偏振组件、第二偏振组件以及具有预设透反比的第一自由曲面镜；
所述第一偏振组件位于所述显示屏的出光光路上，所述第一自由曲面镜位于所述第一偏振组件的反射光路上，所述第一偏振组件位于所述第一自由曲面镜的反射光路上，所述第二偏振组件设置于所述第一自由曲面镜远离所述第一偏振组件的表面上；
所述显示屏的出光光线经过所述第一偏振组件偏振调节后被所述第一偏振组件反射至所述第一自由曲面镜，被所述第一自由曲面镜所反射的光线再次经过所述第一偏振组件偏振调节后进入人眼，而透过所述第一自由曲面镜的光线则被所述第二偏振组件吸收。
可选地，所述第一偏振组件包括距所述显示屏由近至远依次排列的第一四分之一波片、偏振反射片以及第一偏振吸收片；
所述第二偏振组件包括距所述第一自由曲面镜由近至远依次排列的第二四分之一波片、第二偏振吸收片；
所述第一偏振吸收片的透光轴方向与所述第二偏振吸收片的透光轴方向不同。
可选地，还包括透镜，所述透镜位于所述显示屏的出光光路上，所述显示屏的出光光线经过所述透镜后再达到所述第一偏振组件。
可选地，还包括透射件，所述透射件设置于所述第一偏振吸收片远离所述偏振反射片的一侧；
所述透射件为平板玻璃或第二自由曲面镜。
可选地，所述第一自由曲面镜的反射率为50％-80％，所述第一自由曲面镜的透过率为20％-50％。
可选地，所述透镜的焦距F的范围为：40mm<F<100mm。
可选地，所述透镜与所述显示屏相对平行设置，并且所述透镜与所述显示屏均与水平方向的倾斜角范围为30°至70°。
可选地，所述第一自由曲面镜的轴线与水平方向的倾斜角范围为10°至30°。
可选地，所述透射件与水平方向的倾斜角范围为10°至45°。
本发明实施例提供了一种AR装置，包括上述的AR光学系统。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本实施例中，AR光学系统的显示屏发出图像光线，光线首先经过第一偏振组件进行偏振态调节后，第一偏振组件将光线反射至第一自由曲面镜，由于第一自由曲面镜具有预设的透反比，因此，第一自由曲面镜将部分反射光线反射到第一偏振组件，该反射光线经过第一偏振组件再次偏振调节后进入人眼，而透过所述第一自由曲面镜的光线则被所述第二偏振组件吸收。通过上述的AR光学系统设计，显示屏的光线就不会漏到人脸，可以消除现有AR光学系统存在漏光现象，给用户带来更加舒适的使用体验。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明中提供的一种AR光学系统的结构示意图；
图2为本发明中提供的一种AR光学系统的仿真光路示意图；
图3为本发明中提供的一种AR光学系统中的透镜、显示屏、透射件以及第一自由曲面镜的中轴线分别与水平方向的倾斜角示意图；
图4为本发明中提供的一种AR光学系统的光路偏振态转换示意图；
图5为背景技术中提及的目前主流AR光学系统的结构示意图；
图示说明：显示屏1；第一四分之一波片2；偏振反射片3；第一偏振吸收片4；第一自由曲面镜5；第二四分之一波片6；第二偏振吸收片7；透镜8；透射件9；显示屏及透镜与水平方向的倾斜角a；透射件与水平方向的倾斜角b；第一自由曲面镜的中轴线与水平方向的倾斜角c。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种AR光学系统及AR装置，用于解决现有的AR光学系统存在漏光现象的技术问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。
实施例一
请参阅图1至图4，本发明实施例中提供的一种AR光学系统，包括：
显示屏1、第一偏振组件、第二偏振组件以及具有预设透反比的第一自由曲面镜5；
所述第一偏振组件位于所述显示屏1的出光光路上，所述第一自由曲面镜5位于所述第一偏振组件的反射光路上，同时，所述第一偏振组件位于所述第一自由曲面镜5的反射光路上，所述第二偏振组件设置于所述第一自由曲面镜5远离所述第一偏振组件的表面上；
所述显示屏1的出光光线经过所述第一偏振组件偏振调节后被所述第一偏振组件反射至所述第一自由曲面镜5，被所述第一自由曲面镜5所反射的光线再次经过所述第一偏振组件偏振调节后进入人眼，而透过所述第一自由曲面镜的光线则被所述第二偏振组件吸收。
本实施例中，AR光学系统的显示屏发出图像光线，光线首先经过第一偏振组件进行偏振态调节后，第一偏振组件将光线反射至第一自由曲面镜，由于第一自由曲面镜具有预设的透反比，因此，第一自由曲面镜将部分反射光线反射到第一偏振组件，该反射光线经过第一偏振组件再次偏振调节后进入人眼，而透过所述第一自由曲面镜的光线则被所述第二偏振组件吸收。通过上述的AR光学系统设计，显示屏的光线就不会漏到人脸，可以消除现有AR光学系统存在漏光现象，给用户带来更加舒适的使用体验。
具体地，所述第一偏振组件包括距所述显示屏1由近至远依次排列的第一四分之一波片2、偏振反射片3以及第一偏振吸收片4；
所述第二偏振组件包括距所述第一自由曲面镜5由近至远依次排列的第二四分之一波片6、第二偏振吸收片7；
所述第一偏振吸收片4的透光轴方向与所述第二偏振吸收片7的透光轴方向不同。
需要说明的是，本实施例中的显示屏1作为图像源发出图像光线，第一偏振吸收片4及第二偏振吸收片7的作用是通过符合该偏振吸收片偏振方向的线偏振光，其他偏振类型的光会被吸收，第一偏振吸收片4的透光轴方向与第二偏振吸收片7的透光轴方向是不同的；第一四分之一波片2及第二四分之一波片6的作用是将光的偏振态进行转换，将线偏振光转换成圆偏振光，也能将圆偏振光转换成线偏振光；偏振反射片3的作用是选择性地透射线偏振光，本实施例中的偏振反射片3设计为透射P光、反射S光。
本实施例中的AR光学系统在原有的结构基础上将靠近人眼的透射件9上的半透半反膜更换为偏振反射片3，在远离人眼的第一自由曲面镜外部添加第三四分之一波片和第三偏振吸收片，偏振反射片3对不同偏振方向的光进行选择性透射与反射。本实施例中的显示屏1发出图像光线为圆偏振光，若市面上其它类型显示屏1发出的图像光线为线偏振光，可预先在显示屏1中设计第三偏振组件(第三四分之一波片及第三偏振吸收片)以进行光的偏振态调节，线偏振光经过第三四分之一波片后变为圆偏振光。在本实施例中，显示屏1发出的图像光线为圆偏振光，圆偏振光经过第一偏振反射片3前面的第一四分之一波片2就变成线偏振光，设为S方向偏振(S光)，由于S光不能透射偏振反射片3，因此，S光射入到偏振反射片3后会被反射重新进入第一四分之一波片2后变成圆偏振光，然后到达带有预设透反比的第一自由曲面镜5，一部分光线经第一自由曲面镜5反射后再次到达第一四分之一波片2变成线偏振光，设为P方向偏振光(P光)，P光是可以透射偏振反射片3的，由于第一偏振吸收片4的透光轴方向与P光的偏振方向相同，P光可以直接穿过第一偏振吸收片4后进入人眼；另外一部分光线透过第一自由曲面镜5，由于第一自由曲面镜5设置有第二四分之一波片6，光的偏振态会由圆偏光变成P光，同时在第二四分之一波片6外侧设置第二偏振吸收片7，由于第二偏振吸收片7的透光轴方向与P光的偏振方向不相同，这部分想要透射出去的P光会被第二偏振吸收片7进行吸收。通过上述的AR光学系统设计，显示屏1的光线就不会漏到人脸，可以消除现有AR光学系统存在漏光现象，同时，还能提高了入眼的光效，给用户带来更加舒适的使用体验。
上述的AR光学系统设计并不会影响环境光的的传输，环境光多为自然光，经过第二偏振吸收片7后，变成S光，再经过第二四分之一波片6变成圆偏振光，然后到达第一偏振组件，经过第一四分之一波片2后变成P光，然后直接进入人眼。
进一步地，还包括透镜8，所述透镜8位于所述显示屏1的出光光路上，所述显示屏1的出光光线经过所述透镜8后再达到所述第一偏振组件。
本实施例中的透镜8用于将显示屏1发出的图像光线进行聚焦调整，光焦度比较小，该透镜8的焦距F的范围为：40mm<F<100mm。
另外，本实施例中的透镜8为球面透镜。
进一步地，本实施例中所提及的第三偏振组件包括距显示屏1由近至远依次排列的第三偏振吸收片以及第三四分之一波片，其中所述第三偏振组件位于所述显示屏与所述透镜8之间。
需要说明的是，当显示屏所发出的图像光线为线偏振光时，则需要在显示屏与透镜的之间位置加入该第三偏振组件，显示屏1发出的线偏振光经过第三四分之一波片后变为圆偏振光，然后再经过第一偏振组件。
进一步地，还包括透射件9，所述透射件9设置于所述第一偏振吸收片4远离所述偏振反射片3的一侧；
所述透射件9为平板玻璃或第二自由曲面镜。
需要说明的是，当透射件9选用第二自由曲面镜时，可使得整体的AR光学系统成像质量更好，该AR光学系统的出瞳直径可以达到7mm，同时出瞳距离可以达到15mm以上，整体的AR光学系统厚度只有不到16mm，同时搭配上述第一偏振组件及第二偏振组件，可以使得入眼亮度得到极大地提高。
进一步地，本实施例中的第二自由曲面镜要求曲率半径比较大，设定曲率半径指|R2|>100，第一自由曲面镜5的曲率半径为R1的范围为(-20，-65)。
本发明的第一自由曲面镜5以及第二自由曲面镜的面型是自由曲面，第二自由曲面镜的曲率半径为-169.425，第一自由曲面镜5的曲率半径为-39.613，第一自由曲面镜5和第二自由曲面镜的自由曲面的面形描述采用5阶扩展多项式，共20项。扩展多项式的表达式如下：
Figure BDA0003723868370000061
上述表达式中，c为标准球面的顶点曲率；k为圆锥系数；z为自由曲面矢高，x，y分别代表自由曲面的两个坐标值；aj为扩展多项式系数，m和n随扩展多项式项数增加而变化，扩展多项式系数见表1
多项式 第二自由曲面镜 第一自由曲面镜
x -2.279 -1.135
y -43.146 -34.872
x<sup>2</sup> 74.002 39.989
xy -21.641 -11.593
y<sup>2</sup> 26.473 9.056
x<sup>3</sup> -58.638 -21.048
x<sup>2</sup>y 311.381 -3.723
xy<sup>2</sup> -44.252 -8.947
y<sup>3</sup> -66.946 -116.087
x<sup>4</sup> -765.27 -150.301
x<sup>3</sup>y -1658.289 -379.678
x<sup>2</sup>y<sup>2</sup> 1492.773 -251.474
x<sup>1</sup>y<sup>3</sup> -93.792 -103.33
y<sup>4</sup> -564.615 -408.696
x<sup>5</sup> 286.318 370.015
x<sup>4</sup>y -6567.901 590.842
x<sup>3</sup>y<sup>2</sup> 8851.152 596.334
x<sup>2</sup>y<sup>3</sup> 6346.541 -464.339
x<sup>1</sup>y<sup>4</sup> 129.414 62.988
y<sup>5</sup> -955.053 149.690
表1
进一步地，本实施例中的第一自由曲面镜5的反射率为50％-80％，所述第一自由曲面镜5的透过率为20％-50％。
需要说明的是，本实施例中的第一自由曲面镜5的反射率为50％-80％，通过提高第一自由曲面镜5的反射率可以尽可能地提高AR光学系统的入眼的光效。
进一步地，本实施例中的透镜8与显示屏1相对平行设置，并且所述透镜8与所述显示屏1均与水平方向的倾斜角范围为30°至70°。
所述第一自由曲面镜5的轴线与水平方向的倾斜角范围为10°至30°。
所述透射件9与水平方向的倾斜角范围为10°至45°。
需要说明的是，通过上述的设计，可使得显示屏1的光线能够最大程度地进入人眼，避免漏光的现象发生。
实施例二
请查阅图1至图4，本发明实施例公开了一种AR装置，其特征在于，包括实施例一所述的AR光学系统。
具体地，本实施例中的AR装置可以为AR眼镜，本实施例中的AR装置的AR光学系统中的显示屏1的光线不会漏到人脸，同时提高了入眼的光效，对显示屏1的亮度要求就降低了，同时降低了整个AR装置的功耗，有利于AR装置的长时间续航使用，另外也不影响环境光的传输，可以消除漏光现象。
以上对本发明所提供的一种AR光学系统及AR装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种AR光学系统，其特征在于，包括显示屏、第一偏振组件、第二偏振组件以及具有预设透反比的第一自由曲面镜；
所述第一偏振组件位于所述显示屏的出光光路上，所述第一自由曲面镜位于所述第一偏振组件的反射光路上，所述第一偏振组件位于所述第一自由曲面镜的反射光路上，所述第二偏振组件设置于所述第一自由曲面镜远离所述第一偏振组件的表面上；
所述显示屏的出光光线经过所述第一偏振组件偏振调节后被所述第一偏振组件反射至所述第一自由曲面镜，被所述第一自由曲面镜所反射的光线再次经过所述第一偏振组件偏振调节后进入人眼，而透过所述第一自由曲面镜的光线则被所述第二偏振组件吸收。
2.根据权利要求1所述的AR光学系统，其特征在于，所述第一偏振组件包括距所述显示屏由近至远依次排列的第一四分之一波片、偏振反射片以及第一偏振吸收片；
所述第二偏振组件包括距所述第一自由曲面镜由近至远依次排列的第二四分之一波片、第二偏振吸收片；
所述第一偏振吸收片的透光轴方向与所述第二偏振吸收片的透光轴方向不同。
3.根据权利要求1所述的AR光学系统，其特征在于，还包括透镜，所述透镜位于所述显示屏的出光光路上，所述显示屏的出光光线经过所述透镜后再达到所述第一偏振组件。
4.根据权利要求2所述的AR光学系统，其特征在于，还包括透射件，所述透射件设置于所述第一偏振吸收片远离所述偏振反射片的一侧；
所述透射件为平板玻璃或第二自由曲面镜。
5.根据权利要求1所述的AR光学系统，其特征在于，所述第一自由曲面镜的反射率为50％-80％，所述第一自由曲面镜的透过率为20％-50％。
6.根据权利要求3所述的AR光学系统，其特征在于，所述透镜的焦距F的范围为：40mm<F<100mm。
7.根据权利要求3所述的AR光学系统，其特征在于，所述透镜与所述显示屏相对平行设置，并且所述透镜与所述显示屏均与水平方向的倾斜角范围为30°至70°。
8.根据权利要求1所述的AR光学系统，其特征在于，所述第一自由曲面镜的轴线与水平方向的倾斜角范围为10°至30°。
9.根据权利要求4所述的AR光学系统，其特征在于，所述透射件与水平方向的倾斜角范围为10°至45°。
10.一种AR装置，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的AR光学系统。
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