CN115236857B - 光学组件和ar设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种光学组件和AR设备。光学组件包括光机模组、导光模组和液晶模组；光机模组包括光源，光源能够发出第一偏振光，导光模组和液晶模组均位于光源的光路上；导光模组包括波导片和位于波导片的物侧的第一相位延迟片，第一相位延迟片能够在第一偏振光透过其两次的情况下，将第一偏振光转变为第二偏振光；液晶模组位于导光模组的像侧，并位于光源的光路上，液晶模组包括液晶片和第二相位延迟片，第二相位延迟片位于液晶片的像侧，液晶片具有远焦状态和近焦状态。本申请提升了光学组件的光效，并使得光学组件在不同使用场景中均能够达到进行光机投影的功能，将其应用于AR设备中时，能够改善现有技术中只能在固定焦距下显示的缺点。
Description
技术领域
本申请涉及电子设备技术领域，更具体地，涉及一种光学组件和AR设备。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，简称AR)，也被称为扩增现实，AR增强现实技术是促使真实世界信息和虚拟世界信息内容之间综合在一起的较新的技术内容，真实环境和虚拟物体之间重叠之后，能够在同一个画面以及空间中同时存在。增强现实技术不仅能够有效体现出真实世界的内容，也能够促使虚拟的信息内容显示出来，这些细腻内容相互补充和叠加。
在传统的AR显示技术中，AR设备通常只能在固定焦距下显示，例如在一些设备中，光机模组为了搭配光波导的设计，其成像焦距皆设计为4m处聚焦，这种固定焦距的设计使得AR设备的显示受限，降低了用户体验。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种光学组件和AR设备的新技术方案。
根据本申请的第一方面，提供了一种光学组件，应用于AR设备，包括：
光机模组、导光模组和液晶模组；
所述光机模组包括光源，所述光源能够发出第一偏振光，所述导光模组和所述液晶模组均位于所述光源的光路上；
所述导光模组包括波导片和位于所述波导片的物侧的第一相位延迟片，所述第一相位延迟片能够在所述第一偏振光透过其两次的情况下，将所述第一偏振光转变为第二偏振光；
所述液晶模组位于所述导光模组的像侧，并位于所述光源的光路上，所述液晶模组包括液晶片和第二相位延迟片，所述第二相位延迟片位于所述液晶片的像侧，所述液晶片具有远焦状态和近焦状态；
在所述液晶片处于所述远焦状态的情况下，所述液晶片和所述第二相位延迟片均能够透过所述第一偏振光；
在所述液晶片处于所述近焦状态的情况下，所述液晶片能够使所述第一偏振光和所述第二偏振光互相转变，且所述第二相位延迟片能够透过所述第一偏振光并遮蔽所述第二偏振光。
可选地，所述液晶模组还包括控制电路和设置于所述液晶片两侧的透明导电层，所述控制电路能够通过所述透明导电层对所述液晶片施加电压，使所述液晶片从所述远焦状态转变为所述近焦状态。
可选地，所述透明导电层采用氧化铟锡镀设而成。
可选地，所述光机模组还包括镜头和与所述镜头连接的调焦件，所述调焦件被配置为能够调节所述镜头的焦距，所述第一偏振光经所述镜头透射后进入所述波导片。
可选地，还包括测距模组，所述测距模组被配置为能够获取其与预设环境之间的距离信息，并根据所述距离信息形成反馈信号。
可选地，所述调焦件和所述控制电路均与所述测距模组连接，所述测距模组设置有预设值；
在所述测距模组获取的距离值小于所述预设值的情况下，所述反馈信号能够传输给所述调焦件，使所述镜头自动对焦；以及，
所述反馈信号能够传输给所述控制电路，使其对所述液晶片施加电压。
可选地，所述第一相位延迟片为四分之一波片，所述第二相位延迟片为半波片。
可选地，所述四分之一波片胶合在所述波导片的物侧。
可选地，所述液晶片包括透明玻璃和液晶，所述液晶封装于所述透明玻璃与所述半波片之间。
根据本申请的第二方面，提供了一种AR设备，包括第一方面所述的光学组件。
根据本发明的一个实施例，通过在光源的光路上设置导光模组和液晶模组，使光源发出的第一偏振光入射波导片以后，第一部分通过波导片传导至液晶模组，第二部分透过波导片出射至其物侧。
其中，波导片的物侧设置有第一相位延迟片，液晶模组的像侧设置有第二相位延迟片，在液晶片处于远焦状态时，通过波导片中的第一部分第一偏振光能够继续透过整个液晶模组，投射至光学组件的像侧而形成投影信息。而在液晶片处于近焦状态时，透过波导片出射至其物侧的第二部分第一偏振光经外界环境反射后能够二次透过导光模组，并经第一相位延迟片的作用转变为第二偏振光传导至液晶模组，液晶片将此第二偏振光再次转变为第一偏振光并透过第二相位延迟片投射至光学组件的像侧而形成投影信息。同时，第一部分偏振光被液晶片转变为第二偏振光，被第二相位延迟片遮蔽。
本申请通过上述结构，使得通过波导片传导的第一偏振光能够在和透过波导片出射至光学组件物侧的第一偏振光均能够得到应用，提高了光学组件对光源发出的第一偏振光的利用效率，提升了光学效能。同时，液晶片具有远焦状态和近焦状态，使得光学组件在不同使用场景均能够达到光机投影的功能，将其应用于AR设备中时，能够改善现有技术中只能在固定焦距下显示的缺点。
通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且连同其说明一起用于解释本申请的原理。
图1是本申请提供的一种光学组件的液晶片在远焦状态时的示意图。
图2是本申请提供的一种光学组件的液晶片在近焦状态时的示意图。
附图标记说明：
1、波导片；2、第一相位延迟片；3、透明玻璃；4、液晶；5、第二相位延迟片；6、控制电路；7、反射面；8、人眼。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
根据图1至图2所示，本申请提供了一种光学组件，可应用于AR设备，包括：光机模组、导光模组和液晶模组；所述光机模组包括光源，所述光源能够发出第一偏振光，所述导光模组和所述液晶模组均位于所述光源的光路上；所述导光模组包括波导片1和位于所述波导片1的物侧的第一相位延迟片2，所述第一相位延迟片2能够在所述第一偏振光透过其两次的情况下，将所述第一偏振光转变为第二偏振光。
所述液晶模组位于所述导光模组的像侧，并位于所述光源的光路上，所述液晶模组包括液晶片和第二相位延迟片5，所述第二相位延迟片5位于所述液晶片的像侧，所述液晶片具有远焦状态和近焦状态。
在所述液晶片处于所述远焦状态的情况下，所述液晶片和所述第二相位延迟片5均能够透过所述第一偏振光；在所述液晶片处于所述近焦状态的情况下，所述液晶片能够使所述第一偏振光和所述第二偏振光互相转变，且所述第二相位延迟片5能够透过所述第一偏振光并遮蔽所述第二偏振光。
具体地，参考图1至图2，在本实施例的光学模组中，光机模组通过在光源的光路上设置导光模组和液晶模组，使光源发出的第一偏振光入射波导片1以后，第一部分通过波导片1传导至液晶模组，第二部分透过波导片1出射至其物侧。其中，在波导片1的物侧设置有第一相位延迟片2，液晶模组的像侧设置有第二相位延迟片5。
其中，物侧即光学组件朝向外界环境的一侧，像侧即人眼8的观察侧，也即投影侧。例如，在如图2所述的光学模组中，位于光学组件上方的位置处即为物侧，位于光学模组的下方的位置即为像侧。另外，液晶片的近焦状态指的是将光学组件用于近距离观测时的状态，而远焦状态则指的是将光学组件用于远距离观测时的状态，而近焦与远焦是相对而言的，具体可根据光学组件应用的AR设备的具体参数进行设计，本申请对此不做限制。
在液晶片处于远焦状态时，如图1所示，由于液晶片和第二相位延迟片5均能够透过第一偏振光，通过波导片1中的第一部分的第一偏振光能够继续透过整个液晶模组，投射至光学组件的像侧而形成投影信息。此时，第二部分的第一偏振光直接透过波导片1和第一相位延迟片2出射至光学组件的物侧，并消散于外界环境中。
在液晶片处于近焦状态时，如图2所示，透过波导片1出射至其物侧的第二部分第一偏振光经外界环境(例如反射面7)反射后能够二次透过导光模组。由于并经第一相位延迟片2的作用转变为第二偏振光传导至液晶模组，液晶片将此第二偏振光再次转变为第一偏振光并透过第二相位延迟片5投射至光学组件的像侧而形成投影信息。
同时，由于近焦状态时，第一部分第一偏振光由于光学组件的观测距离发生变化，使得其在波导片1中的影像相对于远焦状态时会变得模糊，如果其继续透过液晶模组投影至光学组件的像侧，会使得整个光学组件的成像也变得模糊，因而需要被屏蔽掉。本实施例通过液晶片与第二延迟相位片的相互配合，使得第一部分第一偏振光先经液晶片被转变为第二偏振光，再通过第二相位延迟片5将其遮蔽，使得光学组件最终像侧的投影信息只剩第二部分的第一偏振光。
在一个实施例中，光机模组的光源发出的第一偏振光为水平偏振光，液晶片能够将其转化为垂直偏振光(即第二偏振光)。其中，第一相位延迟片2为四分之一波片，第二相位延迟片5为水平偏振片。
当光学组件被用于远距离观测外部环境时，光机模组能够使水平偏振光在波导片1中具有清晰的影像。此时，液晶片处于远焦状态，在波导片1中传导的第一部分水平偏振光同时透过液晶片和水平偏振片投射至光学模组的像侧，即图1中，人眼8的位置处能够观测到清晰的影像信息。同时，透过波导片1的第二部分水平偏振光经四分之一波片的作用，转变为右旋偏振光，出射至光学组件的物侧，消散于外界环境中。
当光学组件被用于近距离观测外部环境时，外部环境对右旋偏振光具有一定的反射作用，经反射后，右旋偏振光转化为左旋偏振光二次透过四分之一波片，被四分之一波片转化为垂直偏振光。此时，第一部分水平偏振光和第二部分水平偏振光(经导光模组的转化已变为垂直偏振光)均被传导至液晶模组的像侧处。由于液晶片处于近焦状态，其能够将水平偏振光与垂直偏振光进行相互转换，第一部分水平偏振光经液晶片偏转为垂直偏振光后，被水平偏振片遮挡；垂直偏振光(即第二部分水平偏振光)经液晶片偏转为水平偏振光，能够顺利透过水平偏振片投射至光学组件的像侧，即被人眼8清楚观测到。
在本实施例中，液晶片的近焦状态和远焦状态之间的转换可通过外部器件自动实现，也可通过认为观测进行手动控制，本申请对此不做限制。例如，通过测距装置对观测距离进行监测，通过设置近焦状态的距离值和远焦状态的距离值，控制液晶片进行两种状态之间的转换。
本申请通过上述结构，既实现了对光源发出的第一偏振光的有效利用，提高了光学组件的光学效能，又实现了整个光学组件在不同使用场景均能够达到光机投影的功能的目的。将本实施例的光学组件应用于AR设备中时，能够改善现有技术中只能在固定焦距下显示的缺点。
可选地，参考图1至图2，所述液晶模组还包括控制电路6和设置于所述液晶片两侧的透明导电层，所述控制电路6能够通过所述透明导电层对所述液晶片施加电压，使所述液晶片从所述远焦状态转变为所述近焦状态。
具体地，在本实施例中，液晶片的近焦状态和远焦状态可通过控制电路6进行控制转换。在对外界环境进行远距离观测时，控制电路6可以不对液晶片进行任何操作，此时的液晶片处于远焦状态，相当于一片普通玻璃，入射的光束可直接透过液晶片和第二延迟相位片，在光学组件的像侧形成投影信息。而在对外界环境进行近距离观测时，控制电路6对液晶片施加电压，使液晶片从远焦状态转换为近焦状态，以对第一偏振光和第二偏振光进行相互转换。
在本实施例中，采用控制电路6对液晶片进行开启(近焦状态)和关闭(远焦状态)，其中，控制电路6可以与光学组件应用的AR设备中的其它控制模块进行连接，实现整个设备的一体化控制，提高了设备的集成度。
可选地，所述透明导电层采用氧化铟锡镀设而成。
具体地，氧化铟锡主要的特性是其电学传导和光学透明的组合，既实现了控制电路6对液晶片施加电压的目的，又能够透过光束，并且可以通过物理气相沉积、或者一些溅射沉积技术的方法沉积到液晶片的表面，制作工艺较为成熟，降低了光学组件的制作难度，适用于批量生产。
可选地，所述光机模组还包括镜头和与所述镜头连接的调焦件，(附图中未示出)所述调焦件被配置为能够调节所述镜头的焦距，所述第一偏振光经所述镜头透射后进入所述波导片1。
具体地，在本实施例中，光机模组包括镜头和调焦件，在光学组件的观测距离发生变化时，调焦件可控制镜头进行变焦，以配合调节第一偏振光的成像。其中，调焦件可以为自动调焦马达或手动调焦部件，本申请对此不做限制。
可选地，还包括测距模组(附图中未示出)，所述测距模组被配置为能够获取其与预设环境之间的距离信息，并根据所述距离信息形成反馈信号。测距模组能够实现检测光学组件观测距离的变化，以形成反馈信息。在一种实施例中，所述测距模块可以是红外测距传感器或激光传感器等。
可选地，所述调焦件和所述控制电路6均与所述测距模组连接，所述测距模组设置有预设值；在所述测距模组获取的距离值小于所述预设值的情况下，所述反馈信号能够传输给所述调焦件，使所述镜头自动对焦；以及，所述反馈信号能够传输给所述控制电路6，使其对所述液晶片施加电压。
具体地，调焦件和控制电路6均与测距模块形成连接，其可以是有线连接，也可以是无线信号连接。在一种实施例中，测距模块可以采用TOF(Time of flight)技术实现，通过设定当光学组件的观测距离小于一定距离时，测距模块通过TOF技术形成的反馈信号能够同时传输给调焦件和控制电路6。此时，调焦件接收到反馈信号后，根据测距模块检测的观测距离对镜头进行对焦，切换远近使用的功能。同时控制电路6接收到反馈信号后对液晶片施加电压，使其从远焦状态转换为近焦状态，实现液晶4偏转进而改变光的偏转状态，实现光学模组在进行远距离观测和近距离观测时的转换，实现光学组件的微投影效果。
在本实施例中，主要利用了镜头调焦技术，通过改变光机模组的焦距，利用透出波导片1的影像，经由外界平面(反射面7)的反射光搭配液晶片能改变光线偏振的特性，达到近距离投影的效果。
可选地，所述第一相位延迟片2为四分之一波片，所述第二相位延迟片5为半波片。其中，四分之一波片为一定波长的光垂直入射通过时，出射的寻常光和异常光之间相位差1/4波长。在光路中它常用来使线偏振光变为圆偏振光或椭圆偏振光；或者相反。这种波片通常采用双折射材料沿平行于光轴方向切割制成平行平面板，其厚度应精确地为双折射材料两个主轴折射率差和给定波长1/4的乘积的奇数倍。用旋光材料制成的能使入射光偏振面旋转x/2的奇数倍的波片也称为四分之一波片。而半波片是一定厚度的双折射晶体，当法向入射的光透过时，寻常光(o光)和非常光(e光)之间的位相差等于π或其奇数倍。
四分之一波片和半波片为光学领域常用的光学元件，将其应用于本申请的光学组件中，能够在保证其功能的前提下，降低工艺难度。
可选地，所述四分之一波片胶合在所述波导片1的物侧。在实际生产中，四分之一波片可通过胶合的方式粘贴在波导片1的物侧，其制备工艺简单，适用于大批量生产中。
可选地，所述液晶片包括透明玻璃3和液晶4，所述液晶4封装于所述透明玻璃3与所述半波片之间。在本实施例中，将液晶4封装与透明玻璃3和半波片之间，实现了液晶模组的一体化，降低了光学组件的组装难度，节省了空间。
根据本申请的第二方面，提供了一种AR设备，包括第一方面所述的光学组件。
在一个实施例中，AR设备可以为AR眼镜等头戴设备，将第一方面提供的光学组件可以设置在AR眼镜的镜片处，使AR眼镜具有微投影功能，以及实现了近距离和远距离观测调焦功能，改善了现有技术中的AR设备只能进行固定焦距观测的缺点。
上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
虽然已经通过例子对本申请的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种光学组件，应用于AR设备，其特征在于，包括：
光机模组、导光模组和液晶模组；
所述光机模组包括光源，所述光源能够发出第一偏振光，所述导光模组和所述液晶模组均位于所述光源的光路上；
所述导光模组包括波导片和位于所述波导片的物侧的第一相位延迟片，所述第一相位延迟片能够在所述第一偏振光透过其两次的情况下，将所述第一偏振光转变为第二偏振光；
所述液晶模组位于所述导光模组的像侧，并位于所述光源的光路上，所述液晶模组包括液晶片和第二相位延迟片，所述第二相位延迟片位于所述液晶片的像侧，所述液晶片具有远焦状态和近焦状态；
在所述液晶片处于所述远焦状态的情况下，所述液晶片和所述第二相位延迟片均能够透过所述第一偏振光；
在所述液晶片处于所述近焦状态的情况下，所述液晶片能够使所述第一偏振光和所述第二偏振光互相转变，且所述第二相位延迟片能够透过所述第一偏振光并遮蔽所述第二偏振光。
2.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述液晶模组还包括控制电路和设置于所述液晶片两侧的透明导电层，所述控制电路能够通过所述透明导电层对所述液晶片施加电压，使所述液晶片从所述远焦状态转变为所述近焦状态。
3.根据权利要求2所述的光学组件，其特征在于，所述透明导电层采用氧化铟锡镀设而成。
4.根据权利要求2所述的光学组件，其特征在于，所述光机模组还包括镜头和与所述镜头连接的调焦件，所述调焦件被配置为能够调节所述镜头的焦距，所述第一偏振光经所述镜头透射后进入所述波导片。
5.根据权利要求4所述的光学组件，其特征在于，还包括测距模组，所述测距模组被配置为能够获取其与预设环境之间的距离信息，并根据所述距离信息形成反馈信号。
6.根据权利要求5所述的光学组件，其特征在于，所述调焦件和所述控制电路均与所述测距模组连接，所述测距模组设置有预设值；
在所述测距模组获取的距离值小于所述预设值的情况下，所述反馈信号能够传输给所述调焦件，使所述镜头自动对焦；以及，
所述反馈信号能够传输给所述控制电路，使其对所述液晶片施加电压。
7.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述第一相位延迟片为四分之一波片，所述第二相位延迟片为半波片。
8.根据权利要求7所述的光学组件，其特征在于，所述四分之一波片胶合在所述波导片的物侧。
9.根据权利要求7所述的光学组件，其特征在于，所述液晶片包括透明玻璃和液晶，所述液晶封装于所述透明玻璃与所述半波片之间。
10.一种AR设备，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的光学组件。
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