CN115453764A - 一种增强现实显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强现实显示装置，包括显示组件、导光组件以及调焦组件，显示组件包括显示器和透镜组，显示器发出的光线透射过透镜组而入射至导光组件，使得显示器发出的光线通过导光组件传播至眼盒区域。调焦组件与显示组件连接，可通过调焦组件调节显示组件与导光组件之间的距离，实现改变增强现实显示装置的屈光度。透镜组的焦距f1满足10mm≤f1≤26mm以及通过调焦组件调节显示组件与导光组件之间的距离的调节量X范围为X≤5.6mm，可以使得在调节屈光度过程中保持较小的视场角变化，能够在不同屈光度下保持较大且一致的视场角。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统领域，特别是涉及一种增强现实显示装置。
背景技术
增强现实（Augmented Reality，AR)技术，它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息（视觉信息、声音、味道、触觉等）通过计算机等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。即将真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或者空间。
为了满足近视群体的观看需求，现有的增强现实显示装置能够实现根据不同近视程度进行屈光度调节，但是，现有的增强现实显示装置，在调节屈光度后视场角会减小，不能达到在不同屈光度下保持较小的视场角变化量。
发明内容
本发明的目的是提供一种增强现实显示装置，能够使得在不同屈光度下保持较小的视场角变化量，在不同屈光度下保持较大且一致的视场角。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种增强现实显示装置，包括显示组件、导光组件以及调焦组件，所述显示组件包括透镜组以及显示器，所述透镜组设置于所述显示器的出光光路上，所述显示器发出的光线透射过所述透镜组而入射至所述导光组件，使得所述显示器发出的光线通过所述导光组件传播至眼盒区域；
所述调焦组件与所述显示组件连接，用于调节所述显示组件与所述导光组件之间的距离；
还满足以下条件式：10mm≤f1≤26mm，f1表示所述透镜组的焦距；以及X≤5.6mm，X表示通过所述调焦组件调节所述显示组件与所述导光组件之间的距离的调节量。
优选地，还满足以下条件式：0.75<f1/f<1.5，其中f表示所述透镜组和所述导光组件的总焦距。
优选地，所述导光组件包括第一光学元件和第二光学元件，所述显示器发出的光线透射过所述透镜组而入射至所述第一光学元件，所述第一光学元件用于将来自所述透镜组的光线反射至所述第二光学元件以及将来自所述第二光学元件的光线透射出，所述第二光学元件用于将来自所述第一光学元件的光线反射回至所述第一光学元件，所述第二光学元件的反射面为曲面；
还满足以下条件式：19mm≤f2≤26mm，其中，f2表示所述第二光学元件的反射面的焦距。
优选地，所述透镜组与所述显示器之间在光轴上的距离d1<0.5mm，所述第一光学元件与所述透镜组之间在光轴上的距离d2>6mm。
优选地，所述第一光学元件与所述第二光学元件之间在光轴上的距离为8mm≤d3≤11mm。
优选地，所述第二光学元件的折射率为1.5-1.8，所述透镜组包括第一透镜，所述第一透镜的折射率为1.5-1.8。
优选地，所述增强现实显示装置在不同屈光度下视场角FOV的变化量ΔFOV<3°。
优选地，所述增强现实显示装置在不同的屈光度下的视场角均大于等于35°，所述增强现实显示装置的可调屈光度范围为+2D ~ -8D。
优选地，所述增强现实显示装置的出瞳距大于11mm且小于17mm。
优选地，所述调焦组件包括固定支架和螺杆，所述显示器以及所述透镜组安装于所述固定支架，所述螺杆与所述固定支架连接，调节所述螺杆时所述固定支架带动所述显示器、所述透镜组移动，以改变所述显示组件与所述导光组件之间的距离。
由上述技术方案可知，本发明所提供的一种增强现实显示装置包括显示组件、导光组件以及调焦组件，显示组件包括显示器以及透镜组，显示器发出的光线透射过透镜组而入射至导光组件，使得显示器发出的光线通过导光组件传播至眼盒区域。
调焦组件与显示组件连接，可通过调焦组件调节显示组件与导光组件之间的距离，实现改变增强现实显示装置的屈光度。其中，透镜组的焦距f1满足10mm≤f1≤26mm以及通过调焦组件调节显示组件与导光组件之间的距离的调节量X范围为X≤5.6mm，可以使得本增强现实显示装置在调节屈光度过程中在不同屈光度下保持较小的视场角变化量，在不同屈光度下保持较大且一致的视场角。
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为本发明一实施例提供的一种增强现实显示装置的示意图；
图2为本发明又一实施例提供的一种增强现实显示装置的示意图；
图3为本发明又一实施例提供的一种增强现实显示装置的光线传播示意图；
图4为本发明第一实施例的增强现实显示装置的MTF曲线图；
图5为本发明第二实施例的增强现实显示装置的MTF曲线图；
图6为本发明第三实施例的增强现实显示装置的MTF曲线图；
图7为本发明第四实施例的增强现实显示装置的MTF曲线图；
图8为本发明第五实施例的增强现实显示装置的MTF曲线图；
图9为本发明又一实施例提供的一种增强现实显示装置的爆炸示意图；
图10为图9所示的增强现实显示装置的侧视剖视图。
说明书附图中的附图标记包括：
眼盒区域-100，显示器-101，导光组件-103，调焦组件-104，第一光学元件-105，第二光学元件-106；
支架-107，第一螺纹孔-108，第一固定支架-109，第二螺纹孔-110，螺杆-111，导向柱-112，导向孔-113，第二固定支架-114，光学组件-115。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。
可参考图1，图1为一实施例提供的一种增强现实显示装置的示意图，如图所示，增强现实显示装置包括显示组件、导光组件103以及调焦组件104，所述显示组件包括显示器101和透镜组102，所述透镜组102设置于所述显示器101的出光光路上，所述显示器101发出的光线透射过所述透镜组102而入射至所述导光组件103，使得所述显示器101发出的光线通过所述导光组件103传播至眼盒区域100；
所述调焦组件104与所述显示组件连接，用于调节所述显示组件与所述导光组件103之间的距离。
显示器101发出的光线透射过透镜组102而入射至导光组件103，使得显示器101发出的光线通过导光组件103传导而传播至眼盒区域100。光线进入用户眼睛，用户能够观看到显示器101的图像信息。
通过调焦组件104可以调节显示组件与导光组件103之间的距离，实现改变增强现实显示装置虚像的屈光度。增强现实显示装置的屈光度用于表征上述虚像距离观察者的远近，即-1/VID，其中VID(virtual image distance)为虚像距离，单位为m。
其中，还满足以下条件式：10mm≤f1≤26mm，f1表示所述透镜组102的焦距；以及X≤5.6mm，X表示通过所述调焦组件104调节所述显示组件与所述导光组件103之间的距离的调节量。即通过调焦组件104调节显示组件与导光组件103之间的距离的改变量。透镜组102的焦距f1以及通过调焦组件104调节显示组件与导光组件103之间的距离的调节量X范围满足以上条件，可以使得在调节屈光度过程中增强现实显示装置在不同屈光度下保持较小的视场角变化量，能够在不同屈光度下保持较大且一致的视场角。
优选地，本实施例的装置还满足以下条件式：0.75<f1/f<1.5，其中f表示所述透镜组102和所述导光组件103的总焦距。透镜组102的焦距以及导光组件103的焦距满足该条件，有助于使得在调节屈光度过程中增强现实显示装置在不同屈光度下保持较小的视场角变化量，在不同屈光度下保持较大且一致的视场角。
可选地，导光组件103可包括第一光学元件和第二光学元件，所述显示器101发出的光线透射过所述透镜组102而入射至所述第一光学元件，所述第一光学元件用于将来自所述透镜组102的光线反射至所述第二光学元件以及将来自所述第二光学元件的光线透射出，所述第二光学元件用于将来自所述第一光学元件的光线反射回至所述第一光学元件。来自第二光学元件的光线透射过第一光学元件，入射至眼盒区域100，来自真实世界的光线依次地透射过第二光学元件、第一光学元件后入射至眼盒区域100，从而使用户能够观看到形成的虚像叠加到真实世界的效果。
优选地，第二光学元件的反射面为曲面，这样第二光学元件对来自显示器101的光线具有一定的偏折能力。可参考图2，图2为又一实施例提供的一种增强现实显示装置的示意图，如图所示，显示器101发出的光线透射过透镜组102而入射至第一光学元件105，被第一光学元件105反射至第二光学元件106，第二光学元件106将光线反射回至第一光学元件105，光线进一步透射过第一光学元件105后入射至眼盒区域100。图1至图2中带箭头的实线表示来自显示器101的光线的传播方向。其中第二光学元件106的反射面为凹面，能够将入射光线以会聚形式反射出。可参考图3，图3为又一实施例提供的一种增强现实显示装置的光线传播示意图，如图所示，显示器101发出的光线透射过透镜组102而入射至第一光学元件105，被第一光学元件105反射至第二光学元件106，第二光学元件106将光线反射回至第一光学元件105，光线进一步透射过第一光学元件105后入射至眼盒区域100。其中，透镜组102包括一枚透镜，第一光学元件105采用平面镜，第二光学元件106为凹面镜。
进一步优选地，还满足以下条件式：19mm≤f2≤26mm，其中，f2表示所述第二光学元件106的反射面的焦距。第二光学元件106的反射面的焦距处于该范围内，有助于增强现实显示装置在调节屈光度过程中在不同屈光度下保持较小的视场角变化量，在不同屈光度下保持较大且一致的视场角。
优选地，透镜组102与显示器101之间在光轴上的距离d1<0.5mm，第一光学元件105与透镜组102之间在光轴上的距离d2>6mm。保持第一光学元件105与透镜组102之间在光轴上的距离处于该范围，使得本光学系统能够满足屈光度需求，所述第一光学元件105与所述第二光学元件106之间在光轴上的距离8mm≤d3≤11mm。本增强现实显示装置在调节屈光度过程中，可以使透镜组102与显示器101之间距离固定不变，改变透镜组102与第一光学元件105之间的距离，本增强现实显示装置的视场角FOV可以处于38°≤FOV<48°或48°<FOV≤56°。
优选地，所述增强现实显示装置在不同屈光度下视场角FOV的变化量ΔFOV<3°，视场角变化趋势稳定，画面幅度差异较小。
优选地，第二光学元件106的折射率（空间传播速度）为1.5-1.8。第二光学元件106可采用轻量化材料，有助于减小本装置重量。
透镜组102可包括第一透镜，第一透镜的折射率为1.5-1.8，所述第一透镜的质量优选为大于0.5g小于3g。第一透镜可采用塑料镜片，也可使用玻璃材料。透镜组102可只采用一枚透镜，使得本增强现实显示装置重量轻，体积小。
进一步地，本实施例的增强现实显示装置在不同的屈光度下的视场角均大于等于35°，增强现实显示装置的可调屈光度范围为+2D ~ -8D。那么，本增强现实显示装置在不同的屈光度下可具有大于等于35°的视场角。
进一步地，本实施例的增强现实显示装置的出瞳距大于11mm且小于17mm。对应的眼盒区域尺寸可以是8mm~13mm。优选地，本实施例的增强现实显示装置的光学畸变范围±2%以内，tv畸变±1%以内。
下面以具体实施例对本发明增强现实显示装置进行详细说明。其中，透镜组102包括一枚透镜即第一透镜，第一透镜的焦距f1范围为10mm~26mm，第一透镜第一表面的曲率半径为17mm~31mm，第一透镜第二表面的曲率半径为-41mm~-19mm，第一透镜的厚度为3.2mm-7mm，折射率为1.5-1.8，第二光学元件的反射面的曲率半径为-52mm~-41mm。第一透镜到显示器101的距离d1<0.5mm。
第一实施例
本实施例中透镜组102包括第一透镜。本实施例中各项参数：屈光度0D时的视场角FOV-0D：41.3°，屈光度-6D时的视场角FOV--6D：39.2°，第一透镜的焦距f1：15.8mm，X值：2.6mm，第一透镜到显示器101的距离是d1=0.49mm。f=15mm~17mm, f表示透镜组、第一光学元件以及第二光学元件的总焦距；d2=6.5 mm,d3=10mm。
各光学元件的结构参数如表1所示，表中曲率半径的单位为mm，THI表示镜片厚度，单位为mm，ND表示折射率。图4为第一实施例的增强现实显示装置的MTF曲线图。
表1
| 曲率半径 | ND | THI | |
| 第一透镜的第一表面 | 17 | 1.69 | 5.22 |
| 第一透镜的第二表面 | -27 | ||
| 第二光学元件的反射面 | -41 | 1.69 | / |
第二实施例
本实施例中透镜组102包括一枚透镜即第一透镜。本实施例中各项参数：屈光度0D时的视场角FOV-0D：47.4°，屈光度-6D时的视场角FOV--6D：44.8°，第一透镜的焦距f1：25.3mm，X值：2.7mm，第一透镜到显示器101的距离是d1=0.15mm。f=17.8mm~19.8mm；d2=14mm,d3=11mm。
各光学元件的结构参数具体如表2所示。图5为第二实施例的增强现实显示装置的MTF曲线图。
表2
| 曲率半径 | ND | THI | |
| 第一透镜的第一表面 | 31 | 1.5 | 3.2 |
| 第一透镜的第二表面 | -32 | ||
| 第二光学元件的反射面 | -43 | 1.69 | / |
第三实施例
本实施例中透镜组102包括一枚透镜即第一透镜。本实施例中各项参数：屈光度0D时的视场角FOV-0D：49.4°，屈光度-6D时的视场角FOV--6D：46.4°，第一透镜的焦距f1：14.8mm，X值：3.3mm，第一透镜到显示器101的距离是d1=0.1mm。f=15.8mm~18.8mm；d2=12mm,d3=9mm。
各光学元件的结构参数具体如表3所示。图6为第三实施例的增强现实显示装置的MTF曲线图。
表3
| 曲率半径 | ND | THI | |
| 第一透镜的第一表面 | 17 | 1.8 | 5.2 |
| 第一透镜的第二表面 | -41 | ||
| 第二光学元件的反射面 | -46 | 1.69 | / |
第四实施例
本实施例中透镜组102包括一枚透镜即第一透镜。本实施例中各项参数：屈光度0D时的视场角FOV-0D：49.8°，屈光度-6D时的视场角FOV--6D：47.4°，第一透镜的焦距f1：10.4mm，X值：4.8mm，第一透镜到显示器101的距离是d1=0.49mm。f=15.3mm~19.9mm；d2=11mm,d3=8mm。
各光学元件的结构参数具体如表4所示。图7为第四实施例的增强现实显示装置的MTF曲线图。
表4
| 曲率半径 | ND | THI | |
| 第一透镜的第一表面 | 21 | 1.79 | 7 |
| 第一透镜的第二表面 | -19 | ||
| 第二光学元件的反射面 | -50 | 1.69 | / |
第五实施例
本实施例中透镜组102包括一枚透镜即第一透镜。本实施例中各项参数：屈光度0D时的视场角FOV-0D：45.5°，屈光度-8D时的视场角FOV--8D：43.4°，第一透镜的焦距f1：16.8mm，X值：5.5mm，第一透镜到显示器101的距离是d1=0.1mm。f=16.8mm~21.2mm；d2=13mm,d3=9mm。
各光学元件的结构参数具体如表5所示。图8为第五实施例的增强现实显示装置的MTF曲线图。
表5
| 曲率半径 | ND | THI | |
| 第一透镜的第一表面 | 19 | 1.65 | 6.2 |
| 第一透镜的第二表面 | -24 | ||
| 第二光学元件的反射面 | -52 | 1.6 | / |
优选地，调焦组件104包括固定支架和螺杆，所述显示器101以及所述透镜组102安装于所述固定支架，所述螺杆与所述固定支架连接，调节所述螺杆时所述固定支架带动所述显示器101、所述透镜组102移动，以改变所述透镜组102与导光组件103之间的距离。
进一步可选地，可参考图9和图10，图9为本发明又一实施例提供的一种增强现实显示装置的爆炸示意图；图10为图9所示的增强现实显示装置的侧视剖视图。如图所示，本装置还可包括支架107，支架107设置有第一螺纹孔108，固定支架包括第一固定支架109，第一固定支架109设置有第二螺纹孔110，第二螺纹孔110与第一螺纹孔108对应，螺杆111穿入第一固定支架109的第二螺纹孔110，从而螺杆111与第一固定支架109连接。螺杆111穿入支架107的第一螺纹孔108，螺杆111与第一螺纹孔108螺纹配合，
显示器101安装于第一固定支架109，固定支架还包括第二固定支架114，透镜组102通过第二固定支架114安装。通过转动螺杆111，可以带动第一固定支架109以及第二固定支架114上下移动，进而驱动显示器101和透镜组102上下移动。第一光学元件105和第二光学元件106安装于光学组件115内。
支架107还设置有导向柱112，第一固定支架109还设置有导向孔113，通过导向柱112伸入对应的导向孔113内实现确定支架107和第一固定支架109之间的相对位置，导向柱112的设置可以避免第一固定支架109上下移动时发生旋转或晃动。本实施例中，导向孔113与第二螺纹孔110相邻，导向孔113的数量可以设有两个，也可以设有三个或者三个以上。导向柱112与导向孔113滑动配合，导向柱112的数量与导向孔113的数量相同且一一对应。
本实施例的增强现实显示装置中显示器和透镜组的相对位置固定，通过调焦组件可以方便地调节显示器和透镜组与导光组件的其它光学组件之间的距离，实现调节屈光度，以适配不同近视程度的用户，大大提升了使用体验感。
以上对本发明所提供的一种增强现实显示装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种增强现实显示装置，其特征在于，包括显示组件、导光组件以及调焦组件，所述显示组件包括透镜组以及显示器，所述透镜组设置于所述显示器的出光光路上，所述显示器发出的光线透射过所述透镜组而入射至所述导光组件，使得所述显示器发出的光线通过所述导光组件传播至眼盒区域；
所述调焦组件与所述显示组件连接，用于调节所述显示组件与所述导光组件之间的距离；
还满足以下条件式：10mm≤f1≤26mm，f1表示所述透镜组的焦距；以及X≤5.6mm，X表示通过所述调焦组件调节所述显示组件与所述导光组件之间的距离的调节量。
2.根据权利要求1所述的增强现实显示装置，其特征在于，还满足以下条件式：0.75<f1/f<1.5，其中f表示所述透镜组和所述导光组件的总焦距。
3.根据权利要求1所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述导光组件包括第一光学元件和第二光学元件，所述显示器发出的光线透射过所述透镜组而入射至所述第一光学元件，所述第一光学元件用于将来自所述透镜组的光线反射至所述第二光学元件以及将来自所述第二光学元件的光线透射出，所述第二光学元件用于将来自所述第一光学元件的光线反射回至所述第一光学元件，所述第二光学元件的反射面为曲面；
还满足以下条件式：19mm≤f2≤26mm，其中，f2表示所述第二光学元件的反射面的焦距。
4.根据权利要求3所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述透镜组与所述显示器之间在光轴上的距离d1<0.5mm，所述第一光学元件与所述透镜组之间在光轴上的距离d2>6mm。
5.根据权利要求4所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述第一光学元件与所述第二光学元件之间在光轴上的距离为8mm≤d3≤11mm。
6.根据权利要求3所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述第二光学元件的折射率为1.5-1.8，所述透镜组包括第一透镜，所述第一透镜的折射率为1.5-1.8。
7.根据权利要求1所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述增强现实显示装置在不同屈光度下视场角FOV的变化量ΔFOV<3°。
8.根据权利要求1-7任一项所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述增强现实显示装置在不同的屈光度下的视场角均大于等于35°，所述增强现实显示装置的可调屈光度范围为+2D ~ -8D。
9.根据权利要求1-7任一项所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述增强现实显示装置的出瞳距大于11mm且小于17mm。
10.根据权利要求1所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述调焦组件包括固定支架和螺杆，所述显示器以及所述透镜组安装于所述固定支架，所述螺杆与所述固定支架连接，调节所述螺杆时所述固定支架带动所述显示器、所述透镜组移动，以改变所述显示组件与所述导光组件之间的距离。
Priority Applications (2)
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