CN115755404A - Ar显示装置和穿戴式ar设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种AR显示装置和穿戴式AR设备，涉及增强现实成像的技术领域，包括图像投射装置和显示光路组件；图像投射装置包括曲面像源；显示光路组件包括依次排列的分光镜和曲面半反射镜。使每一个发光点都处于光学系统要求的位置，提高了整个成像系统的图像质量，减小了体积，同时也为消除干扰光线提供了可能性。

Description

AR显示装置和穿戴式AR设备

技术领域

本案是申请号为CN201810147325.0的母案的分案申请。

本发明涉及增强现实成像技术领域，尤其是涉及一种AR显示装置和穿戴式AR设备。

背景技术

AR(Augmented Reality，增强现实)也被称为混合现实，其原理是通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

目前，人们可以通过穿戴式设备，如AR眼镜或AR头盔等，与真实世界进行互动。如图1示出了现有的AR眼镜或AR头盔中的AR显示装置的结构示意图，如图1所示，现有的AR显示装置光学系统包括像源1、分光镜12、曲面半反射镜13和位于分光镜12上方的透镜17，像源1设置在光学系统的上部，且像源1与透镜17之间有一定距离，像源1的图像光线从上方向下射入透镜17。与此同时，环境光线从曲面半反射镜13的右侧向左侧(人眼方向)射入。图像光线和部分环境光线最终同时抵达人眼，使得用户能够看到外界真实环境的同时还可以看到叠加在真实环境中的像源1的图像。

首先，反射式系统能够实现较高的成像质量和较大的视场，但光学系统有较大的残余场曲，限制了像质和视场的进一步提高；

其次，由于平面像源发出的光是发散的，所以为了尽可能收集到更多的光线，其发出的光投影在之后的光学元件上的面积一定会大于像源的发光面积，导致系统体积无法做到小巧紧凑。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供AR显示装置和穿戴式AR设备，使每一个发光点都处于光学系统要求的位置，提高了整个成像系统的图像质量，减小了体积，同时也为消除干扰光线提供了可能性。

第一方面，本发明实施例提供了一种AR显示装置，包括图像投射装置和显示光路组件；所述图像投射装置包括曲面像源；所述显示光路组件包括依次排列的分光镜和曲面半反射镜。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述曲面像源的形状为凹面型或凸面型。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述图像投射装置还包括：保护膜和/或透镜和/或匹配镜。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述保护膜的厚度为1微米～50毫米。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述保护膜的厚度为0.1毫米。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，当所述图像投射装置包括所述保护膜时，所述曲面像源与所述保护膜紧密贴合。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，当所述图像投射装置包括曲面像源、保护膜和透镜时，所述曲面像源、所述保护膜和所述透镜之间依次紧密贴合。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，当所述图像投射装置包括曲面像源、保护膜、匹配镜和透镜时，所述曲面像源、所述保护膜、所述匹配镜和所述透镜之间依次紧密贴合。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述匹配镜的折射率为1～2.7。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述匹配镜由液体材质、液晶、半固态材质或固体材质构成。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第十种可能的实施方式，其中，当所述匹配镜为液体材质、液晶或半固态材质时，所述图像投射装置还包括密封结构，将匹配镜密封于所述保护膜与所述透镜之间。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第十一种可能的实施方式，其中，当所述匹配镜为固体材质时，所述曲面像源、所述保护膜、所述匹配镜和所述透镜相互直接连接。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第十二种可能的实施方式，其中，所述分光镜包括偏振分光膜；所述偏振分光膜用于通过偏振态为第一方向的偏振光，反射偏振态为第二方向的偏振光；所述第一方向和所述第二方向相互垂直。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第十三种可能的实施方式，其中，所述显示光路组件还包括：波片组件，所述波片组件设置在所述分光镜和所述曲面半反射镜之间；所述波片组件用于将偏振分光膜反射的第二方向的偏振光转换为圆偏振光，将圆偏振光转换为第一方向的偏振光。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第十四种可能的实施方式，其中，所述分光镜还包括分光镜基片；所述偏振分光膜位于临近所述图像投射装置和所述波片组件的一侧，所述分光镜基片位于远离所述图像投射装置和所述波片组件的一侧。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第十五种可能的实施方式，其中，所述分光镜的反射平面和所述曲面半反射镜的光轴之间的夹角为α；所述曲面像源的法线和所述分光镜的反射平面之间的夹角为β；α取值范围为β-10°至β+10°之间，且90°≥α≥0°。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第十六种可能的实施方式，其中，β为0°～90°。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第十七种可能的实施方式，其中，β为40°～50°。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第十八种可能的实施方式，其中，当所述第一方向的偏振光和所述第二方向的偏振光在满足相互垂直的前提下绕光线传播的方向0°～360°旋转时，所述分光镜和所述波片组件也要改变相应的角度。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第十九种可能的实施方式，其中，所述波片组件为1/4波片。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二十种可能的实施方式，其中，所述1/4波片贴合于所述曲面半反射镜的内侧。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二十一种可能的实施方式，其中，所述曲面像源为集成光源的曲面像源或单一曲面像源。

第二方面，本发明实施例还提供一种穿戴式AR设备，包括卡箍件和上述上述实施例中任一项所述的AR显示装置。

本发明实施例带来了以下有益效果：将现有技术方案中的像源换成曲面像源，使得系统体积可以做到小巧紧凑，所以，曲面像源可以与光学系统的场曲相契合，使每一个发光点都处于光学系统要求的位置，提高了整个成像系统的图像质量，减小了体积，进一步提高了像质和视场。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为现有技术的一种AR显示装置的结构示意图；

图2为本发明第一实施例所提供的AR显示装置的结构示意图；

图3为本发明第一实施例所提供的基于偏振光路的AR显示装置的结构示意图；

图4为本发明第二实施例所提供的AR显示装置的结构示意图；

图5为本发明第二实施例所提供的图像投射装置的结构示意图；

图6为本发明第三实施例所提供的AR显示装置的结构示意图；

图7为本发明第三实施例所提供的一个图像投射装置的结构示意图；

图8为本发明第三实施例所提供的另一个图像投射装置的结构示意图。

图标：

1-像源；11-曲面像源；12-分光镜；13-曲面半反射镜；14-波片组件；15-偏振分光膜；16-分光镜基片；17-透镜；18-匹配镜。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

目前，由于像源与分光镜和曲面半反射镜所组成的光学系统契合度差，致使很难通过透镜数量来矫正射入人眼的图像。基于此，本发明实施例提供的一种一种AR显示装置和穿戴式AR设备，以下首先对本发明的AR显示装置进行详细介绍。

实施例一

本实施例提供了一种AR显示装置，如图2所示，AR显示装置包括图像投射装置和显示光路组件。

其中，图像投射装置包括曲面像源11。显示光路组件包括依次排列的分光镜12和曲面半反射镜13。

其中，曲面像源11的作用是显示需要投射到人眼中的图像，曲面像源11的形状可以为凹面型、凸面型、球面型、非球面型等等各种自由曲面型，图3示出了曲面像源为凹面型的结构图。曲面像源11包括但不限于集成光源的像源或单一像源。例如，OLED(OrganicLight-Emitting Diode，有机发光二极管)、LCOS(Liquid Crystal On Silicon，硅基液晶)、LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、MEMS(MicroelectromechanicalSystems，微机电显示系统)、DMD(Digital Micro-mirror Device，数字微镜元件)等显示原理的电子器件。其中，OLED和LCD为集成光源的像源；LCOS、MEMS和DMD为单一像源，需要另外增加辅助光源。

这样曲面像源的发光面可以设计成与光学系统的场曲相契合，使每一个发光点都处于光学系统要求的位置，使整个成像系统的图像质量提高。同时，使用曲面像源进行光学系统设计时，可以降低场曲的设计要求，有助于降低设计难度，减少元件数量，提升系统集成度等，使产品一体化程度高，重量降低，体积更小。

可选的，图像投射装置还包括：保护膜，保护膜与曲面像源11紧密贴合。进一步的，保护膜的厚度为1微米～50毫米。优选的，保护膜的厚度可以为0.1毫米。

具体来说，保护膜可以保护曲面像源发光面免受损害，保护膜还可以为光学玻璃等等材料。保护膜还能够起到透镜的作用，对由曲面像源发射出的光具有汇聚的效果。

图2所示的AR显示装置的工作原理如下：曲面像源11的图像光线从上方向下射显示光路组件中。与此同时，环境光线从曲面半反射镜13的右侧向左侧(人眼方向)射入。图像光线的部分光线经过分光镜12的反射射向曲面半反射镜13，部分光线再经过曲面半反射镜13的反射射向分光镜12。与此同时，环境光线的部分光线依次穿过曲面半反射镜13和分光镜12抵达人眼，这样部分图像光线和部分环境光线最终同时抵达人眼，使得用户能够看到外界真实环境的同时还可以看到叠加在真实环境中的曲面像源11的图像。

在一些可选的实施例中，结合图3所示，显示光路组件还包括：波片组件14，波片组件14设置在分光镜和曲面半反射镜13之间；分光镜包括偏振分光膜15。偏振分光膜15用于通过偏振态为第一方向的偏振光，反射偏振态为第二方向的偏振光。波片组件用于将偏振分光膜反射的第二方向的偏振光转换为圆偏振光，将圆偏振光转换为第一方向的偏振光。

其中，第一方向和第二方向相互垂直。例如，第一方向偏振光可以是偏振态为P方向的偏振光，第二方向偏振光可以是偏振态为S方向的偏振光。考虑到P偏振光和S偏振光可以在满足相互垂直的前提下绕光线传播方向旋转，因此，第一方向偏振光也可以是偏振态与P方向呈一定角度的偏振光，第二方向偏振光也可以是偏振态与S方向呈一定角度的偏振光，本发明实施例中，不进行限定。

可选的，波片组件14可以为1/4波片。进一步的，1/4波片设置于分光镜和曲面半反射镜13之间。或者，1/4波片贴合于曲面半反射镜的内侧。1/4波片可以为平面结构、或曲面结构、或柱面结构、或球面或非球面结构等等自由结构。

分光镜的反射平面和所述曲面半反射镜的光轴之间的夹角为α；所述曲面像源的法线和所述分光镜的反射平面之间的夹角为β；α取值范围为β-10°至β+10°之间，且90°≥α≥0°。进一步的，β为0°～90°。可选的，β为40°～50°。当第一方向的偏振光和第二方向的偏振光在满足相互垂直的前提下绕光线传播的方向0°～360°旋转时，分光镜和波片组件14也要改变相应的角度。

图3示出了显示光路组件采用偏振设计。具体来说，以第一方向偏振光为P方向的偏振光，第二方向偏振光为S方向的偏振光为例，曲面像源11发射出图像光线，图像光线进入具有偏振分光膜的分光镜中，偏振分光膜能够将图像光线中的S偏振光反射到波片组件14上。波片组件14将S偏振光转化为圆偏振光，然后入射到曲面半反射镜13上，此时，此时圆偏振光分光，一部分射出曲面半反射镜13到外界，另一部分被反射回波片组件14，由圆偏振光变成P偏振光。转变后的P偏振光再次入射到具有偏振分光膜的分光镜，由于偏振方向为P方向，此时光线将穿过偏振分光膜进入到人眼中，使用户能看到大可视角度的虚拟图像。同时，当环境光线入射时，一部分环境光线透过曲面半反射镜13、波片组件14和具有偏振分光膜的分光镜，使得一部分环境光线进入人眼。使用户能够看到真实的外界环境，通过虚拟图像与真实环境的叠加显示达到增强现实的效果。

本发明实施例通过显示光路组件采用偏振设计，能够提高光能利用率，提高图像光线亮度，节省功耗，降低系统发热量。

可选的，分光镜12还包括分光镜基片16；偏振分光膜15位于临近图像投射装置和波片组件14的一侧，分光镜基片16位于远离图像投射装置和波片组件14的一侧。

实施例二

本实施例提供了另一种AR显示装置，如图4所示，该AR显示装置包括图像投射装置和显示光路组件。

图像投射装置包括曲面像源11和透镜17，曲面像源与透镜之间紧密贴合。

其中，透镜17可以是一个透镜或多个透镜组成的透镜组。透镜或透镜组中每面透镜可以是凸透镜、凹透镜或凸透镜和凹透镜任意组合等，透镜的面型与曲面像源之间相契合，可以为球面、非球面、自由曲面等，图5示出了在曲面像源为凹面型时，透镜可以为凸透镜。曲面像源与凸透镜紧密贴合。透镜17将光线折射，配合偏振光路组件共同完成成像。

本发明实施例中的图像投射装置包括曲面像源和透镜时，曲面像源发射出的光可以直接进入透镜17中，空气的折射率为1，透镜的折射率一般在1.3～2.0之间，根据R＝(0.61*λ)/(n*sinθ)计算公式(R为衍射斑半径，λ为光波长，n为像面折射率，θ为入射孔径角)，可以提高像方的折射率能够提供更小的衍射光斑，提高成像分辨率，通过提高像方折射率，用相对小的孔径角实现了较大的数值孔径，减少了边缘光线的偏折角，降低了设计难度。

另外，在本实施例中，可选的方案为：在透镜与曲面像源之间增加保护膜，即：曲面像源、保护膜和透镜之间依次紧密贴合。

显示光路组件包括依次排列的分光镜12、波片组件14和曲面半反射镜13。分光镜12包括分光镜基片16和偏振分光膜15。显示光路组件的结构和工作原理可以参照上述实施例一，在此不再赘述。

实施例三

本实施例提供了一种AR显示装置，如图6所示，该AR显示装置包括图像投射装置和显示光路组件。

图像投射装置包括曲面像源11、匹配镜18和透镜17。匹配镜18的一侧与曲面像源11之间紧密贴合；另一侧与透镜17紧密贴合。结合图7和图8所示，在曲面像源11的形状为凹面型时，透镜17中临近显示光路组件的一侧可以为凹面型或者平面型，匹配镜18可以配合曲面像源11和透镜17构成任何形状。

匹配镜18具备高透光率和一定的折射率，匹配镜18的折射率大于空气的折射率。匹配镜的折射率可以为1～2.7。根据R＝(0.61*λ)/(S*SiSθ)计算公式(R为衍射斑半径，λ为光波长，S为像面折射率，θ为入射孔径角)。匹配镜18可以由透明的液体材质制成，例如水、酒精等；也可以由透明的固体材质制成，例如玻璃、树脂等；还可以采用液晶或半固态材质制成。

当匹配镜18的材质是液体时，透镜17和像源11之间设置有外部密封结构，例如，密闭边框，使透镜17和像源11之间形成密闭的腔体，防止匹配镜材质流失。当匹配镜18的材质是固体时，像源11和透镜17间可以直接连接匹配镜18，而无需边框。即像源11和匹配镜18直接连接或通过胶水粘接，匹配镜18和透镜17直接连接或通过胶水粘接。

本发明实施例添加的匹配镜可以提高介质的折射率能够提供更小的衍射光斑，提高成像分辨率，通过提高像方折射率，用相对小的孔径角实现了较大的数值孔径，减少了边缘光线的偏折角，降低了设计难度。

在一可选的实施例中，图像投射装置可以仅包括曲面像源11和匹配镜18，曲面像源11和匹配镜18之间紧密贴合。

在另一可选的实施例中，图像投射装置也可以包括曲面像源11、保护膜、匹配镜18和透镜17，曲面像源11、保护膜、匹配镜18和透镜17之间依次紧密贴合。并且，当匹配镜18为液体材质、液晶或半固态材质时，图像投射装置包括的密封结构，将匹配镜18密封于保护膜与透镜17之间。当匹配镜18为固体材质时，曲面像源11、保护膜、匹配镜18和透镜17相互直接连接。

同样，显示光路组件包括依次排列的分光镜12、波片组件14和曲面半反射镜13。分光镜12包括分光镜基片16和偏振分光膜15。显示光路组件的结构和工作原理已在实施例一中阐明，在此不再赘述。

实施例四

本发明实施例还提供了一种穿戴式AR设备，包括卡箍件和上述实施例中任一项所述的AR显示装置。

该穿戴式AR设备可以是但不限于AR眼镜、AR头盔或AR面罩。当穿戴式AR设备为AR眼镜时，卡箍件为镜框，AR显示装置安装在镜框上，相当于两个镜片的位置。当穿戴式AR设备为AR头盔时，卡箍件可以是头盔壳体，AR显示装置安装于头盔壳体前侧的面窗部。

本实施例的穿戴式AR设备设置有上述的AR显示装置，由于AR显示装置中的曲面像源发出的光的面积可能比曲面像源本身的面积小，可以使得曲面像源与光学系统的场曲相契合，使每一个发光点都处于光学系统要求的位置，提高了整个成像系统的图像质量，减小了体积，也为消除干扰光线提供了可能性。同时，可以降低场曲的设计要求，有助于降低设计难度，减少元件数量，提升系统集成度等，使产品一体化程度高，重量降低。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (23)

1.一种AR显示装置，其特征在于，包括图像投射装置和显示光路组件；

所述图像投射装置包括曲面像源；

所述显示光路组件包括依次排列的分光镜和曲面半反射镜。

2.根据权利要求1所述的AR显示装置，其特征在于，所述曲面像源的形状为凹面型或凸面型。

3.根据权利要求1所述的AR显示装置，其特征在于，所述图像投射装置还包括：保护膜和/或透镜和/或匹配镜。

4.根据权利要求3所述的AR显示装置，其特征在于，所述保护膜的厚度为1微米～50毫米。

5.根据权利要求3所述的AR显示装置，其特征在于，所述保护膜的厚度为0.1毫米。

6.根据权利要求3所述的AR显示装置，其特征在于，当所述图像投射装置包括所述保护膜时，所述曲面像源与所述保护膜紧密贴合。

7.根据权利要求3所述的AR显示装置，其特征在于，当所述图像投射装置包括曲面像源、保护膜和透镜时，所述曲面像源、所述保护膜和所述透镜之间依次紧密贴合。

8.根据权利要求3所述的AR显示装置，其特征在于，当所述图像投射装置包括曲面像源、保护膜、匹配镜和透镜时，所述曲面像源、所述保护膜、所述匹配镜和所述透镜之间依次紧密贴合。

9.根据权利要求8所述的AR显示装置，其特征在于，所述匹配镜的折射率为1～2.7。

10.根据权利要求8所述的AR显示装置，其特征在于，所述匹配镜由液体材质、液晶、半固态材质或固体材质构成。

11.根据权利要求10所述的AR显示装置，其特征在于，当所述匹配镜为液体材质、液晶或半固态材质时，所述图像投射装置还包括密封结构，将匹配镜密封于所述保护膜与所述透镜之间。

12.根据权利要求10所述的AR显示装置，其特征在于，当所述匹配镜为固体材质时，所述曲面像源、所述保护膜、所述匹配镜和所述透镜相互直接连接。

13.根据权利要求1所述的AR显示装置，其特征在于，所述分光镜包括偏振分光膜；

所述偏振分光膜用于通过偏振态为第一方向的偏振光，反射偏振态为第二方向的偏振光；

所述第一方向和所述第二方向相互垂直。

14.根据权利要求13所述的AR显示装置，其特征在于，所述显示光路组件还包括：波片组件，所述波片组件设置在所述分光镜和所述曲面半反射镜之间；

所述波片组件用于将偏振分光膜反射的第二方向的偏振光转换为圆偏振光，将圆偏振光转换为第一方向的偏振光。

15.根据权利要求13所述的AR显示装置，其特征在于，所述分光镜还包括分光镜基片；所述偏振分光膜位于临近所述图像投射装置和所述波片组件的一侧，所述分光镜基片位于远离所述图像投射装置和所述波片组件的一侧。

16.根据权利要求1所述的AR显示装置，其特征在于，所述分光镜的反射平面和所述曲面半反射镜的光轴之间的夹角为α；所述曲面像源的法线和所述分光镜的反射平面之间的夹角为β；α取值范围为β-10°至β+10°之间，且90°≥α≥0°。

17.根据权利要求16所述的AR显示装置，其特征在于，β为0°～90°。

18.根据权利要求16所述的AR显示装置，其特征在于，β为40°～50°。

19.根据权利要求15所述的AR显示装置，其特征在于，当所述第一方向的偏振光和所述第二方向的偏振光在满足相互垂直的前提下绕光线传播的方向0°～360°旋转时，所述分光镜和所述波片组件也要改变相应的角度。

20.根据权利要求19所述的AR显示装置，其特征在于，所述波片组件为1/4波片。

21.根据权利要求20所述的AR显示装置，其特征在于，所述1/4波片贴合于所述曲面半反射镜的内侧。

22.根据权利要求1所述的AR显示装置，其特征在于，所述曲面像源为集成光源的曲面像源或单一曲面像源。

23.一种穿戴式AR设备，其特征在于，包括卡箍件和上述权利要求1～22中任一项所述的AR显示装置。

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