CN115808782A - 一种ar光学系统及ar显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种AR光学系统及显示设备。该光学系统包括微显示器、放大透镜组、光路调节镜组、平面反射镜组及曲面反射镜组；放大透镜组将微显示器出射的显示图像的图像光束放大；光路调节镜组透过图像光束中第一偏振态的光线，以及将图像光束中第二偏振态的光线转变为第一偏振态的光线作为成像光束入射至平面反射镜组；平面反射镜组将成像光束反射至曲面反射镜组；曲面反射镜组反射成像光束至平面反射镜组，以使成像光束到达观测位置形成虚拟图像；曲面反射镜组还透射外界光线至平面反射镜组，外界光线透过平面反射镜到达观测位置形成实物图像；光路调节镜组的反射面与其第二光轴夹角可调；曲面反射镜组与平面反射镜组两中心之间的垂直距离可调。

Description

一种AR光学系统及AR显示设备

技术领域

本发明实施例涉及AR技术，尤其涉及一种AR光学系统及AR显示设备。

背景技术

对于增强现实光学系统，大视场能充分增加使用者的沉浸感。光学系统中的出瞳直径、出瞳距离可直接影响光学系统的视场角。现有技术中，增强现实光学系统常采用自由曲面棱镜技术或者光波导技术，采用自由曲面棱镜技术难以达到大出瞳直径、宽的视场角，且畸变性能严重不足，致使基于自由曲面的AR眼镜光学系统无法达到高质量的AR观看效果。而采用光波导技术，同样难以达到大出瞳直径，宽视场角的效果，且成本和体验效果也并不理想。

发明内容

本发明提供一种AR光学系统及AR显示设备，以实现大视场角、大出瞳直径的效果。

第一方面，本发明实施例提供了一种AR光学系统，该AR光学系统包括：微显示器、放大透镜组、光路调节镜组、平面反射镜组及曲面反射镜组；

所述微显示器用于出射显示图像的图像光束；

所述放大透镜组用于放大所述显示图像的图像光束；

所述光路调节镜组用于透过所述图像光束中第一偏振态的光线，以及将所述图像光束中第二偏振态的光线转变为第一偏振态的光线作为成像光束入射至所述平面反射镜组；

所述平面反射镜组用于将所述成像光束反射至所述曲面反射镜组；

所述曲面反射镜组用于反射所述成像光束至所述平面反射镜组，以使所述成像光束透过所述平面反射镜到达观测位置形成虚拟图像；

所述曲面反射镜组还用于透射外界光线至所述平面反射镜组，以使所述外界光线透过所述平面反射镜到达观测位置形成实物图像；

其中，所述放大透镜组的光轴为第一光轴；所述平面反射镜组的的光轴为第二光轴；所述第一光轴与所述第二光轴垂直；

所述平面反射镜组的反射面与所述第二光轴的夹角可调；所述曲面反射镜组的中心与所述平面反射镜组的中心之间的垂直距离可调。

可选的，所述放大透镜组包括第一非球面透镜和第二非球面透镜；所述第一非球面透镜的焦距f1和所述第二非球面透镜的焦距f2满足：5≤f1/f2≤8。

可选的，所述第一非球面透镜和所述第二非球面透镜的表面镀有增透膜。

可选的，所述光路调节镜组包括反射片、第一波片、第一偏振片、第一平面镜和第二波片；

所述第一波片、所述第一偏振片、所述第一平面镜及所述第二波片依次设置，且所述第二波片位于所述第一波片靠近所述平面反射镜组的一侧；

所述光路调节镜组的反射法线与所述第一平面镜的第一表面之间的夹角α满足：35°≤|α|≤45°。

可选的，所述第一波片及所述第一偏振片层叠贴附于所述第一平面镜的第一表面；所述第二波片贴附于所述第一平面镜的第二表面。

可选的，所述平面反射镜组包括依次设置的第三波片、第二偏振片及第二平面镜，且所述第三波片位于所述第二平面镜靠近所述曲面反射镜组的一侧，并贴附于所述第二平面镜的第一表面。

可选的，所述平面反射镜组的反射面与所述第二光轴的夹角θ满足：35°≤θ≤45°。

可选的，所述曲面反射镜组的中心与所述平面反射镜组的中心之间的垂直距离L满足：10mm≤L≤20mm。

可选的，所述曲面反射镜组包括曲面半透半反镜。

第二方面，本发明实施例还提供了一种AR显示设备，该AR显示设备包括：上述第一方面所述的AR光学系统。

本发明实施例，通过放大透镜组将显示图像出射的图像光束放大，然后光路调节镜组透过图像光束中第一偏振态的光线，以及将图像光束中第二偏振态的光线转变为第一偏振态的光线作为成像光束入射至平面反射镜组；平面反射镜组将成像光束反射至曲面反射镜组；曲面反射镜组反射成像光束至平面反射镜组，以使成像光束透过平面反射镜组到达观测位置形成虚拟图像；曲面反射镜组还用于透射外界光线至平面反射镜组，以使外界光线透过平面反射镜组到达观测位置形成实物图像，这样实物图像与虚拟图像叠加形成AR功能；本技术方案中放大透镜组的光轴为第一光轴；平面反射镜组的光轴为第二光轴；第一光轴与第二光轴垂直；通过调节平面反射镜组的反射面与第二光轴的夹角；并通过调节曲面反射镜组的中心与平面反射镜组的中心之间的垂直距离，实现AR光学系统的大视场角、大出瞳直径的效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种AR光学系统的三维结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种AR光学系统的正视结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种AR光学系统的正视结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种AR光学系统的侧视结构示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种AR光学系统的侧视结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种AR显示设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例提供的一种AR光学系统的三维结构示意图，如图1所示，该AR光学系统包括微显示器10、放大透镜组20、光路调节镜组30、平面反射镜组40及曲面反射镜组50；微显示器10用于出射显示图像的图像光束；放大透镜组20用于放大显示图像的图像光束；光路调节镜组30用于透过图像光束中第一偏振态的光线，以及将图像光束中第二偏振态的光线转变为第一偏振态的光线作为成像光束入射至平面反射镜组40；平面反射镜组40用于将成像光束反射至曲面反射镜组50；曲面反射镜组50用于反射成像光束至平面反射镜组40，以使成像光束透过平面反射镜组40到达观测位置形成虚拟图像；曲面反射镜组50还用于透射外界光线至平面反射镜组40，以使外界光线透过平面反射镜组40到达观测位置形成实物图像；其中，放大透镜组20的光轴为第一光轴L1；平面反射镜组40的光轴为第二光轴L2；第一光轴L1与第二光轴L2垂直；平面反射镜组40的反射面与第二光轴L2的夹角可调；曲面反射镜组50的中心与平面反射镜组40的中心之间的垂直距离可调。

其中，微显示器10可以采用有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示面板、液晶显示屏(Liquid Crystal Display，LCD)、矩阵液晶(Liguid Crystalon Silicon，LCOS)显示面板、数字光处理(Digital Light Processing，DLP)显示器等。微显示器10作为图像源，出射显示图像的图像光束。微显示器10的分辨率大于1920P，以提高整个AR光学系统的分辨率。

放大透镜组20可以采用多个透镜的组合，或者多种类型透镜的组合；各种透镜组合的放大透镜组20的焦距在合适的范围内，这样可以将微显示器10出射的显示图像的图像光束放大，并将发散的图像光束汇聚。

光路调节镜组30可以采用反射片、波片及偏振片的组合；图像光束中包括第一偏振态的光线和第二偏振态的光线，例如第一偏振态的光线为P光，第二偏振态的光线为S光；波片具有改变偏振态光线的振动方向的作用，偏振片具有选择光线偏振态的作用；光路调节镜组30中利用其中的偏振片将放大透镜组20出射的图像光束的第一偏振态的光线P光透过，第二偏振态的光线S光反射；以及利用其中的波片和反射片组合将反射的第二偏振态的光线S光转变为第一偏振态的光线P光，并利用其中的波片将第一偏振态的光线P光改变振动方向，并将改变振动方向后的第一偏振态的光线P光作为成像光束入射至平面反射镜组40。

平面反射镜组40可以采用波片和偏振片的组合；其中，利用其波片可将光线调节镜组30出射的成像光束，即改变振动方向后的第一偏振态的光线P光，转化为第二偏振态的光线S光，并经过其偏振片将第二偏振态的光线S反射，第二偏振态的光线S光再经过波片将改变其振动方向，改变振动方向后的第二偏振态的光线S光反射至曲面反射镜组50。

曲面反射镜组50可以为半透半反镜，曲面反射镜组50将反射改变振动方向的第二偏振态的光线S光，改变振动方向的第二偏振态的光线S光经过平面反射镜组40内的波片转化为第一偏振态的光线P光，第一偏振态的光线P光透过平面反射镜组40内的偏振片到达观测位置形成虚拟图像。曲面反射镜组50还用于透射外界光线至平面反射镜组40，以使外界光线透过平面反射镜组40到达观测位置形成实物图像；这样虚拟图像和实物图像叠加形成AR功能。

本技术方案，通过调节平面反射镜组40的反射面与第二光轴L2的夹角；同时通过调节曲面反射镜组50的中心与平面反射镜组40的中心之间的垂直距离，这样从观测位置透过平面反射镜组40和曲面反射镜组50观察到的虚拟图像的虚像和真实景物的视场角较大，出瞳直径也较大，如此满足了整个AR光学系统的大视场角、大出瞳直径的效果。

可选的，图2是本发明实施例提供的一种AR光学系统的正视结构示意图，参照图1，放大透镜组20包括第一非球面透镜21和第二非球面透镜22；第一非球面透镜21的焦距f1和第二非球面透镜22的焦距f2满足：5≤f1/f2≤8。如此设置合适的焦距比值使得放大透镜组20可以将显示图像的图像光束进一步放大，以满足用户更好的AR体验。

可选的，参照图2，第一非球面透镜21和第二非球面透镜22的表面镀有增透膜。通过在第一非球面透镜21和第二非球面透镜22的表面镀有增透膜，可以增加图像光束的透过量，减少或消除杂散光；也可以提高整个AR光学系统的低色散率。

可选的，图3是本发明实施例提供的另一种AR光学系统的正视结构示意图，参照图2和3，光路调节镜组30包括反射片31、第一波片32、第一偏振片33、第一平面镜34和第二波片35；第一波片32、第一偏振片33、第一平面镜34及第二波片35依次设置，且第二波片35位于第一波片32靠近平面反射镜组40的一侧；光学调节镜组30的反射法线与第一平面镜34的第一表面之间的夹角α满足：35°≤|α|≤45°。

其中，放大透镜组20出射的图像光束包括第一偏振态的光线P光和第二偏振态的光线S光；第一波片32和第二波片35可以改变各偏振态的振动方向；示例性的，第一波片31和第二波片32均采用1/4波片，即可以改变各偏振态的振动方向为45°；第一偏振态的光线P光和第二偏振态的光线S光的振动方向垂直；第一偏振态的光线P光和第二偏振态的光线S光经过振动方向的改变后可以相互转化；第一偏振片33可以透过第一偏振态的光线P光，反射第二偏振态的光线S光；具体的，图像光束经过第一波片32后，第一偏振态的光线S光在第一偏振片33上反射，反射的第一偏振态的光线S光经过第一波片32和反射片31的反射后，再经过第一波片32后，即经过两次第一波片32后，第一偏振态的光线S光转化为第二偏振态的光线P光，第二偏振态的光线P光透过第一偏振片33及第一平面镜34，然后经过第二波片35将第二偏振态的光线P光的振动方向改变，改变振动方向后的第二偏振态的光线P光作为成像光束入射至平面反射镜组40，如此将放大透镜组20沿第一光轴L1出射的图像光束的方向调整至平面反射镜组40的第二光轴L2方向。光学调节镜组30的反射法线与第一平面镜34的第一表面之间的夹角α满足：35°≤|α|≤45°，这样设置的好处在于可以满足整个AR光学系统的大视场角、大出瞳直径的效果。

可选的，继续参照图2和3，第一波片32及第一偏振片33层叠贴附于第一平面镜34的第一表面；第二波片35贴附于第一平面镜34的第二表面。

其中，由于第一偏振片33只透过第二偏振态的光线P光；反射第一偏振态的光线S光；当放大透镜组20图像光束中的第二偏振态的光线P光透过第一偏振片33，并经过第一平面镜34的第一表面到达第一平面镜34的第二表面时，由于第二平面镜34的第二表面与外界空气接触，第二偏振态的光线P光在第二平面镜34的第二表面反射，反射的第二偏振态的光线P光经过第一偏振片33、第一波片32及反射片31的反射后，第二偏振态的光线P光改变振动方向，改变振动方向后的第二偏振态的光线P光再经过第一波片32后，变为第一偏振态的光线S光，第一偏振态的光线S光在第一偏振片33的表面反射，并将第一偏振态的光线S光通过放大透镜组20反射至微显示器10内，如此利用第一偏振片33和第一波片32，避免了当放大透镜组20图像光束中的第二偏振态的光线P光在第二平面镜34的第二表面反射后，仅经过反射片31直接投射至平面反射镜组40内，由于第一平面镜34具有一定的厚度，如此避免平面反射镜组40反射的成像光束内混入由第一偏振片33透射的第二偏振态的光线P光，以将由第一偏振片33透射的第二偏振态的光线P光经过平面反射镜组40的反射及曲面反射镜组50的反射在另一观测位置形成鬼像，如此消除了第一平面镜34产生的平移鬼像。

可选的，图4是本发明实施例提供的一种AR光学系统的侧视结构示意图。参照图4，平面反射镜组40包括依次设置的第三波片41、第二偏振片42及第二平面镜43，且第三波片41位于第二平面镜43靠近曲面反射镜组50的一侧，并贴附于第二平面镜43的第一表面。

具体的，经过第二波片35，第二偏振态的光线P光改变振动方向，将改变振动方向的第二偏振态的光线P光作为成像光束入射至平面反射镜组40内的第三波片41后，改变振动方向后的第二偏振态的光线P光转化为第一偏振态的光线S光，第一偏振态的光线S光在第二偏振片42上反射，反射后的第一偏振态的光线S光再经过第三波片41后第一偏振态的光线S光改变振动方向，改变振动方向的第一偏振态的光线S光再经过曲面反射镜组50的反射、第三波片41后转化为第二偏振态的光线P光，第二偏振态的光线P光透过第二偏振片42，并经过第二平面镜43入射至观测方形成虚拟图像。

需要说明的是，实际光路中图像光束中的第一偏振态的光线S光也会透过第一偏振片33，透过第一偏振态的光线S光经过第一平面镜34、第二波片35后第一偏振态的光线S光改变振动方向，改变振动方向后的第一偏振态的光线S光经过第三波片41后形成第二偏振态的光线P光，然后第二偏振态的光线P光直接透过第二偏振片42，并经过第二平面镜43进入空气中，如此利用第三波片41和第二偏振片42，将第一偏振片32投射的第一偏振态的光线S光滤掉，避免了从第一偏振片33投射的第一偏振态的光线S光未经过第三波片41和第二偏振片42，直接经过第二平面镜43的第二表面反射后，并反射到曲面反射镜组50，由于第二平面镜43具有一定的厚度，曲面反射镜组50以将第一偏振态的光线S光入射至另一观测位置形成鬼像，如此消除了第二平面镜43产生的平移鬼像，进一步消除了整个AR光学系统的平移鬼像。

可选的，参照图4，平面反射镜组40的反射面与第二光轴L2的夹角θ满足：35°≤θ≤45°。这样通过将平面反射镜组40的反射面与第二光轴L2的夹角θ在该范围内调整，可以满足AR光学系统的大视场、大出瞳直径的效果。

可选的，图5是本发明实施例提供的另一种AR光学系统的侧视结构示意图。参照图4和5，曲面反射镜组50的中心与平面反射镜组40的中心之间的垂直距离L满足：10mm≤L≤20mm。图5示意出曲面反射镜组50调整后的位置，这样将曲面反射镜组50的中心与平面反射镜组40的中心之间的垂直距离L在该范围内，整个AR光学系统的视场角β明显增大、出瞳直径D相应增大。优选的，整个AR光学系统的视场角β可以达到≥65°，出瞳直径D可以达到大于10mm。

基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种AR显示设备，包括上述任一实施例所述的AR光学系统；示例性的，图6是本申请实施例提供的一种AR显示设备的结构示意图，如图6所示，AR显示设备1000包括上述实施例中的增强现实显示系统100，因此本实施例提供的AR显示设备1000也具备上述实施例所描述的有益效果，此处不再赘述。示例性的，AR显示装置例如可以为AR眼镜，可以理解的是，AR眼镜还包括一些具有连接、固定、装配、佩戴该AR显示系统100的元件，在此不做限定。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种AR光学系统，其特征在于，包括：微显示器、放大透镜组、光路调节镜组、平面反射镜组及曲面反射镜组；

所述微显示器用于出射显示图像的图像光束；

所述放大透镜组用于放大所述显示图像的图像光束；

所述光路调节镜组用于透过所述图像光束中第一偏振态的光线，以及将所述图像光束中第二偏振态的光线转变为第一偏振态的光线作为成像光束入射至所述平面反射镜组；

所述平面反射镜组用于将所述成像光束反射至所述曲面反射镜组；

所述曲面反射镜组用于反射所述成像光束至所述平面反射镜组，以使所述成像光束透过所述平面反射镜到达观测位置形成虚拟图像；

所述曲面反射镜组还用于透射外界光线至所述平面反射镜组，以使所述外界光线透过所述平面反射镜到达观测位置形成实物图像；

其中，所述放大透镜组的光轴为第一光轴；所述平面反射镜组的的光轴为第二光轴；所述第一光轴与所述第二光轴垂直；

所述平面反射镜组的反射面与所述第二光轴的夹角可调；所述曲面反射镜组的中心与所述平面反射镜组的中心之间的垂直距离可调。

2.根据权利要求1所述的AR光学系统，其特征在于，所述放大透镜组包括第一非球面透镜和第二非球面透镜；所述第一非球面透镜的焦距f1和所述第二非球面透镜的焦距f2满足：5≤f1/f2≤8。

3.根据权利要求2所述的AR光学系统，其特征在于，所述第一非球面透镜和所述第二非球面透镜的表面镀有增透膜。

4.根据权利要求1所述的AR光学系统，其特征在于，所述光路调节镜组包括反射片、第一波片、第一偏振片、第一平面镜和第二波片；

所述第一波片、所述第一偏振片、所述第一平面镜及所述第二波片依次设置，且所述第二波片位于所述第一波片靠近所述平面反射镜组的一侧；

所述光学调节镜组的反射法线与所述第一平面镜的第一表面之间的夹角α满足：35°≤|α|≤45°。

5.根据权利要求4所述的AR光学系统，其特征在于，所述第一波片及所述第一偏振片层叠贴附于所述第一平面镜的第一表面；所述第二波片贴附于所述第一平面镜的第二表面。

6.根据权利要求1所述的AR光学系统，其特征在于，所述平面反射镜组包括依次设置的第三波片、第二偏振片及第二平面镜，且所述第三波片位于所述第二平面镜靠近所述曲面反射镜组的一侧，并贴附于所述第二平面镜的第一表面。

7.根据权利要求1所述的AR光学系统，其特征在于，所述平面反射镜组的反射面与所述第二光轴的夹角θ满足：35°≤θ≤45°。

8.根据权利要求1所述的AR光学系统，其特征在于，所述曲面反射镜组的中心与所述平面反射镜组的中心之间的垂直距离L满足：10mm≤L≤20mm。

9.根据权利要求1所述的AR光学系统，其特征在于，所述曲面反射镜组包括曲面半透半反镜。

10.一种AR显示设备，其特征在于，包括：权利要求1-9任一项所述的AR光学系统。

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