CN115857177B - 一种增强现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种增强现实显示设备，该设备包括：微显示屏，被配置为发射成像光束；阵列光波导，包括波导基片和阵列部分反射镜，所述阵列部分反射镜设置于所述波导基片上，被配置为将耦入到所述波导基片的成像光束沿第一方向扩瞳后耦出；第一扩瞳结构，位于所述微显示屏与所述波导基片的第一端面之间，被配置为仅沿第二方向对耦入到所述波导基片前的所述成像光束偏折；第二扩瞳结构，被配置为仅沿第二方向对耦入到所述波导基片后的所述成像光束偏折。采用上述技术方案，能够同时实现大视角和大眼盒，提高体验效果。

Description

一种增强现实显示设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种增强现实显示设备。

背景技术

用于增强现实的头戴式显示器采用近眼显示技术，可以让人们在查看周围环境的同时，观看正在放映的虚拟图像，虚拟图像叠加在用户感知的真实世界上，能够营造更逼真的体验，使用户沉浸感更强。

目前，在增强现实领域常采用Birdbath（光学结构的统称）、棱镜或自由曲面实现显示功能。然而，Birdbath（光学结构的统称）、棱镜或自由曲面都存在着增大视场角和减小体积的存盾；为了解决这个问题，研究人员提出光波导方案，但是在阵列光波导方案中，考虑到冷加工工艺及成本等因素，阵列光波导的材料的折射率普遍小于1.6，因此光波导可容纳的视场角一般小于50°，不仅如此，考虑到体积因素，阵列光波导难以同时实现大视场角和大眼盒。

发明内容

本发明实施例提供一种增强现实显示设备，以同时显示大视角和大眼盒，提高显示效果。

本发明实施例提供的一种增强现实显示设备，包括：

微显示屏，被配置为发射成像光束；

阵列光波导，包括波导基片和阵列部分反射镜，所述阵列部分反射镜设置于所述波导基片上，被配置为将耦入到所述波导基片的成像光束沿第一方向扩瞳后耦出；

第一扩瞳结构，位于所述微显示屏与所述波导基片的第一端面之间，被配置为仅沿第二方向对耦入到所述波导基片前的所述成像光束偏折；

第二扩瞳结构，被配置为仅沿第二方向对耦入到所述波导基片后的所述成像光束偏折。

可选的，所述第一扩瞳结构包括成像镜组和第一柱透镜；所述成像镜组包括至少一个成像透镜和/或至少一个成像反射镜。

可选的，所述第一扩瞳结构包括第一自由曲面透镜，或者，

所述第一扩瞳结构包括第一自由曲面反射镜。

可选的，所述第二扩瞳结构位于所述波导基片的第二端面一侧，所述第二端面与所述第一端面相对。

可选的，所述第二扩瞳结构包括柱面反射镜。

可选的，所述第二扩瞳结构包括第二自由曲面反射镜。

可选的，增强现实显示设备还包括第一耦入结构，所述第一耦入结构位于所述第一扩瞳结构与所述波导基片的第一端面之间。

可选的，增强现实显示设备还包括第二耦入结构，所述第二耦入结构位于所述第二扩瞳结构与所述波导基片的第二端面之间。

可选的，增强现实显示设备还包括起偏器和四分之一波片；所述起偏器位于所述第一扩瞳结构与所述波导基片的第一端面之间，所述四分之一波片位于所述第二扩瞳结构与所述波导基片的第二端面之间。

可选的，所述第二扩瞳结构位于所述波导基片的显示面一侧，所述显示面与所述第一端面相连接；所述第二扩瞳结构包括第二柱透镜；

所述增强现实显示设备还包括第三柱透镜，所述第三柱透镜位于所述阵列光波导远离所述第二柱透镜的一侧。

本发明实施例提供的增强现实显示设备，包括微显示屏、阵列光波导、第一扩瞳结构以及第二扩瞳结构，通过微显示屏发射成像光束，经过第一扩瞳结构沿第二方向对耦入到波导基片前的成像光束偏折，透过阵列光波导后，光线通过阵列光波导中的阵列部分反射镜，可以实现第一方向的扩瞳，即第一方向的大眼盒。第一扩瞳结构和第二扩瞳结构两者的配合可以实现第二方向的扩瞳和增加视场角。

附图说明

图1为现有技术中的一种一维阵列光波导的光学结构的正视图；

图2为现有技术中的一种一维阵列光波导的光学结构的俯视图；

图3为现有技术中的一种一维阵列光波导的光路示意图；

图4为现有技术中的一种一维阵列光波导的光路的正视图；

图5为现有技术中的一种一维阵列光波导的光路的俯视图；

图6为现有技术中增强显示成像系统在第二方向上的等效光路图；

图7为本发明实施例提供的一种增强现实显示设备的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种增强现实显示设备在第二方向上的等效光路图；

图9为本发明实施例提供的一种增强现实显示设备在第一方向上的等效光路图；

图10为本发明实施例提供的另一种增强现实显示设备的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的又一种增强现实显示设备的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的一种增强现实显示设备中柱透镜的结构示意图。

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。

在介绍本发明实施例之前，先对阵列光波导的原理进行详细说明。

图1为现有技术中的一种一维阵列光波导的光学结构的正视图。图2为现有技术中的一种一维阵列光波导的光学结构的俯视图。如图1和图2所示，阵列光波导包括耦入结构12以及耦出结构13。其中，耦入结构12通常采用棱镜，主要作用是将光引擎出瞳11出射的光线（虚拟图像）耦合进入光波导进行全反射传输；耦出结构13通常为阵列部分反射镜，主要作用是将入射光耦出光波导并在图示扩瞳方向（如图1中所示的第一方向X）上进行出瞳扩展。图3为现有技术中的一种一维阵列光波导的光路示意图。图4为现有技术中的一种一维阵列光波导的光路的正视图。图5为现有技术中的一种一维阵列光波导的光路的俯视图。如图3-图5所示，光引擎出瞳11出射的光线被耦入结构12耦入到光波导内进行全反射传输，光线传输一段距离后被耦出结构13反射耦出光波导，从光波导出射的光线在空气中传输一段距离后进入人眼500’在这个过程中，光引擎出瞳11在扩瞳方向（即第一方向X）完成了出瞳扩展，因此人眼500’在扩瞳方向（即第一方向X）上观察时，获得完整图像的同时可以有一个比较宽松的移动范围，即眼盒比较大。但是在非扩瞳方向（如图1中所示的第二方向Y）上，光引擎出瞳11并没有进行出瞳扩展，因此人眼500’在非扩瞳方向上的眼盒就受限于光引擎出瞳11在非扩瞳方向上的大小，因此，在非扩瞳方向出瞳的大小与光引擎出瞳11的体积紧密相关，为了获得一个良好的增强现实系统（Augmented Reality，AR）形态，非扩瞳方向（即第二方向Y）上的眼盒通常比较小。

图6为现有技术中增强显示成像系统在第二方向上的等效光路图。如图6所示，大小为h的微显示屏100’上每一点出射的光线经过成像透镜301’后变成平行光，平行光通过长度为d的光波导200’后入射处于出瞳距离为EL处的人眼500’。假设光波导200’使用的光学材料折射率为n，则根据几何光学原理以及几何关系可知，AR显示系统的视场角为：

；

其中，f为成像透镜301’的焦距。

眼盒大小EB为：

。

由上式可知，在第二方向Y上，当该方向上光引擎出瞳大小D一定时，波导等效长度d越大、出瞳距离EL越大、视场角

越大时，眼盒EB越小。在AR显示系统的实际使用中，出瞳距离以及视场角越大，用户体验越好，且对于某些AR显示系统来说，特别是AR眼镜显示系统，波导等效长度d与人眼500’中心到眼镜镜腿的距离呈正相关，因此波导等效长度d值太小会存在卡头等问题，在产品形态及佩戴舒适度上会产生负面的体验效果。所以在传统的AR显示系统设计时，同时增大波导等效长度d、出瞳距离EL、视场角/>

和眼盒EB是矛盾的。

为同时实现大视角以及大眼盒，接下来结合附图对本发明实施例进行详细阐述。

图7为本发明实施例提供的一种增强现实显示设备的结构示意图。如图7所示，增强现实显示设备包括微显示屏100、阵列光波导200、第一扩瞳结构300和第二扩瞳结构400。其中，微显示屏100被配置为发射成像光束。阵列光波导200包括波导基片201和阵列部分反射镜202。阵列部分反射镜202设置于波导基片201上，阵列部分反射镜202被配置为将耦入到波导基片201的成像光束沿第一方向X扩瞳后耦出。第一扩瞳结构300位于微显示屏100与波导基片201的第一端面之间，第一扩瞳结构300被配置为仅沿第二方向Y对耦入到波导基片201前的成像光束偏折。第一扩瞳结构300不在第一方向X对耦入到波导基片201前的成像光束偏折。第二扩瞳结构400被配置为仅沿第二方向Y对耦入到波导基片201后的成像光束偏折。第二扩瞳结构400不在第二方向Y对耦入到波导基片201前的成像光束偏折。

示例性的，由阵列光波导原理可知，阵列光波导200在实际使用时可以简化为一块平行平板。第一方向可以理解为扩瞳方向，即X方向；第二方向可以理解为非扩瞳方向，即Y方向。

图8为本发明实施例提供的一种增强现实显示设备在第二方向上的等效光路图。如图8所示，大小为h₁的微显示屏100上每一点发出的成像光束经过第一扩瞳结构300后先变成平行光，接着平行光聚焦成像于中间像位置处，所成中间像的大小为h₂，中间像的光线再经过第二扩瞳结构400变成平行光后进入人眼500，也就是说，第二扩瞳结构400再将中间像成像于无穷远被人眼500接收，最终视场角为

，即：

。

可选的，第一扩瞳结构300包括成像镜组（具体的，成像镜组包括成像透镜301）和第一柱透镜302，其中，成像透镜301的焦距为f₁，第一柱透镜302的焦距为f₂，第二扩瞳结构400的焦距为f₃。具体的，成像透镜301可以将微显示屏100发射的成像光束成像于无穷远，接着平行光经过第一柱透镜302后聚焦成像于中间像位置处，可以理解为，第一柱透镜302将无穷远的图像成像于中间像位置处，中间像的光线再经过第二扩瞳结构400变成平行光后进入人眼500。

可以理解的是，在一实施方式中，成像镜组还可以包括多个成像透镜。在另一实施方式中，成像镜组还可以包括至少一个成像反射镜。在一实施方式中，成像镜组还可以既包括成像透镜，又包括成像反射镜。

可以理解的是，成像镜组中可以包括除成像透镜和成像反射镜外的其他元件，例如反射镜、分束器、偏振分束器等。

在一实施方式中，第一扩瞳结构300包括成像镜组和柱面反射镜，既将第一柱透镜302替换为反射元件（柱面反射镜）。总之，只要实现第二方向Y上的光线偏折效果即可。综合而言，第一扩瞳结构300包括成像镜组和柱面镜，柱面镜可以包括至少一个柱透镜和/或至少一个柱面反射镜。

其中，大小为h₁的微显示屏100两个端发射的成像光束在成像透镜301上所成的视场角为

，大小为h₂中间像满足：

。

由此可知：

。

因此，通过增大

的比值就可以增大增强现实显示设备的视场角。

具体的，继续参考图8，微显示屏100成像于中间像位置处，相当于一个新的 “微显示屏”（即等效微显示屏），该“微显示屏”位于阵列光波导200内，因此，若将图8中“微显示屏”和第二扩瞳结构400类比于图7中的微显示屏100和成像透镜301，那么图8中光线所走的长度为d的平行平板对于图7而言，其值为0，则根据公式：

。

可知，眼盒EB增加，但是实际中等效平行平板依旧是存在的，且

。

因此，通过调节f₂和f₃的数值就可以增大波导等效长度d，进而可以增大眼盒，同时增大视场角。

进一步的，图9为本发明实施例提供的一种增强现实显示设备在第一方向上的等效光路图。如图9所示，在第一方向上，即在扩瞳方向上，眼盒的大小通过阵列部分反射镜201进行了扩展，因此不再受到光引擎出瞳大小D、波导等效长度d的限制，所以第一柱透镜302和第二扩瞳结构400在该方向上相当于一块平行平板。

本发明实施例提供的增强现实显示设备，包括微显示屏、阵列光波导、第一扩瞳结构以及第二扩瞳结构，通过微显示屏发射成像光束，经过第一扩瞳结构沿第二方向对耦入到波导基片前的成像光束偏折，透过阵列光波导后，光线通过阵列光波导中的阵列部分反射镜，可以实现第一方向的扩瞳，即第一方向的大眼盒。第一扩瞳结构和第二扩瞳结构两者的配合可以实现第二方向的扩瞳和增加视场角。

可选的，继续参考图8，第一扩瞳结构300包括第一自由曲面透镜，或者，第一扩瞳结构300包括第一自由曲面反射镜。

具体的，第一扩瞳结构300可以包括成像透镜301和第一柱透镜302，也就是说，可以使用第一自由曲面透镜或者第一自由曲面反射镜实现成像透镜301和第一柱透镜302的功能，即微显示屏100出射的成像光束经过第一自由曲面透镜或者第一自由曲面反射镜可以在阵列光波导200中形成中间像，如此设置可以优化增强现实显示设备的结构，实现增强现实显示设备的小型化设置。

需要说明的是，本发明实施例对第一自由曲面透镜或者第一自由曲面反射镜的形状不做具体限定，能够实现第一扩瞳结构300的功能即可。例如，在一实施方式中，自由曲面透镜在第二方向Y上的截面为抛物面、双曲面或者椭球面等。

可选的，继续参考图7，第二扩瞳结构400位于波导基片201的第二端面一侧，第二端面与第一端面相对。

进一步的，继续参考图7，第二扩瞳结构400包括柱面反射镜。具体的，微显示屏100经过第一扩瞳结构300可以在阵列光波导200的中间位置形成中间像，中间像的光线再经过柱面反射镜变成平行光后进入人眼500，即柱面反射镜将中间像成像于无穷远被人眼500接收。此外，第一柱透镜301的像方焦点和柱面反射镜的物方焦点重合，可以实现在阵列光波导200中形成中间像并且中间像出射的光线经过柱面反射镜可以变成平行光后进入人眼500。

可选的，继续参考图7，第二扩瞳结构400包括第二自由曲面反射镜。

具体的，第二扩瞳结构400包括第二自由曲面反射镜，可以实现中间像的光线再经过第二自由曲面反射镜变成平行光后进入人眼500。

需要说明的是，本发明实施例对第二自由曲面反射镜的形状不做具体限定，能够实现第二扩瞳结构400的功能即可。

可选的，继续参考图7，增强现实显示设备还包括第一耦入结构600，第一耦入结构600位于第一扩瞳结构300与波导基片201的第一端面之间。

示例性的，第一耦入结构600可以采用棱镜。具体的，第一耦入结构600位于第一扩瞳结构300与波导基片201的第一端面之间，可以将微显示屏100发射的成像光束耦合进入阵列光波导200进行全反射传输。

可选的，继续参考图7，增强现实显示设备还包括第二耦入结构700，第二耦入结构700位于第二扩瞳结构400与波导基片201的第二端面之间。

示例性的，第二耦入结构700可以采用棱镜。具体的，第二耦入结构700位于第二扩瞳结构400与波导基片201的第二端面之间，可以将经过第二扩瞳结构400反射的光线耦入阵列光波导200，再将反射光线耦出进而进入人眼500。

可选的，图10为本发明实施例提供的另一种增强现实显示设备的结构示意图。如图10所示，增强现实显示设备还包括起偏器800和四分之一波片900。起偏器800位于第一扩瞳结构300与波导基片201的第一端面之间，四分之一波片900位于第二扩瞳结构400与波导基片201的第二端面之间。

具体的，起偏器800位于第一扩瞳结构300与波导基片201的第一端面之间，可以使入射光的偏振态为p偏振。进一步的，微显示屏100发出的光线经过成像透镜301成像，并经过第一柱透镜302入射到起偏器800上，经过起偏器800的光线偏振态变为p偏振。示例性的，为了防止正面漏光，可以使用偏振镀膜，波导基片201上设置的阵列部分反射镜202对s偏振光有一定的反射率，对p偏振光完全透过，因此，起偏器800位于第一扩瞳结构300与波导基片201的第一端面之间，使得入射光的偏振态为p偏振。当经过镀有偏振选择膜层的阵列部分反射镜202时，由于膜层透射p偏振光，部分反射s偏振光，因此光线会直接透过阵列部分反射镜202继续传输直至四分之一波片，透过四分之一波片的入射光偏振态变成了圆偏振，经过第二扩瞳结构400中的柱面反射镜的反射后，又一次经过四分之一波片，偏振态变成了s偏振，接着光线继续传输入射到部分反射镜阵列，由于膜层透射p偏振光，部分反射s偏振光，因此光线会被反射并耦出波导片200，进入人眼500。

可选的，图11为本发明实施例提供的又一种增强现实显示设备的结构示意图。如图11所示，第二扩瞳结构400位于波导基片201的显示面一侧，显示面与第一端面相连接。第二扩瞳结构400包括第二柱透镜401。增强现实显示设备还包括第三柱透镜1000，第三柱透镜1000位于阵列光波导200远离第二柱透镜401的一侧。

具体的，第三柱透镜1000位于阵列光波导200远离第二柱透镜401的一侧，即外界环境光经过第三柱透镜1000可以透射至人眼500。此外，第二扩瞳结构400位于波导基片201的显示面一侧，也就是说，第二扩瞳结构400中的第二柱透镜401位于人眼500与波导基片201的显示面一侧的中间位置，即不影响人眼500看到的光线在第二方向Y上的会聚效果，如此人眼500看到的仍然是平行光，即人眼500能够看到外界环境光线与微显示屏100显示的画面，实现增强现实的功能。

图12为本发明实施例提供的一种增强现实显示设备中柱透镜的结构示意图。如图12所示，上述实施例中的第一柱透镜、第二柱透镜以及第三柱透镜均可以采用此结构，即平凸透镜，一方面能够透射光线，另一方面可以将透射的光线变成平行光入射至人眼。

综上，本发明实施例提供的增强现实显示设备，本发明实施例提供的增强现实显示设备，包括微显示屏、阵列光波导、第一扩瞳结构以及第二扩瞳结构，通过微显示屏发射成像光束，经过第一扩瞳结构沿第二方向对耦入到波导基片前的成像光束偏折，透过阵列光波导后，通过阵列光波导中的阵列部分反射镜，所以可以实现第一方向的扩瞳，即第一方向的大眼盒。第一扩瞳结构和第二扩瞳结构两者的配合可以实现第二方向的扩瞳和增加视场角。此外，还可以通过调节第一扩瞳结构与第二扩瞳结构焦距的数值来增大波导等效长度，进而可以增大眼盒，同时增大视场角，提高显示效果，满足用户需求。

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、相互结合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 (7)

1.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括：

微显示屏，被配置为发射成像光束；

阵列光波导，包括波导基片和阵列部分反射镜，所述阵列部分反射镜设置于所述波导基片上，被配置为将耦入到所述波导基片的成像光束沿第一方向扩瞳后耦出；

第一扩瞳结构，位于所述微显示屏与所述波导基片的第一端面之间，被配置为仅沿第二方向对耦入到所述波导基片前的所述成像光束偏折；

第二扩瞳结构，被配置为仅沿第二方向对耦入到所述波导基片后的所述成像光束偏折；

所述第一扩瞳结构包括成像镜组和第一柱透镜；所述成像镜组包括至少一个成像透镜和/或至少一个成像反射镜；或者，所述第一扩瞳结构包括第一自由曲面透镜，或者，所述第一扩瞳结构包括第一自由曲面反射镜；

所述第二扩瞳结构位于所述波导基片的第二端面一侧，所述第二端面与所述第一端面相对；或者，所述第二扩瞳结构位于所述波导基片的显示面一侧，所述显示面与所述第一端面相连接。

2.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，所述第二扩瞳结构位于所述波导基片的第二端面一侧时，所述第二扩瞳结构包括柱面反射镜。

3.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，所述第二扩瞳结构位于所述波导基片的第二端面一侧时，所述第二扩瞳结构包括第二自由曲面反射镜。

4.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，还包括第一耦入结构，所述第一耦入结构位于所述第一扩瞳结构与所述波导基片的第一端面之间。

5.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，所述第二扩瞳结构位于所述波导基片的第二端面一侧时，所述增强现实显示设备还包括第二耦入结构，所述第二耦入结构位于所述第二扩瞳结构与所述波导基片的第二端面之间。

6.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，所述第二扩瞳结构位于所述波导基片的第二端面一侧时，所述增强现实显示设备还包括起偏器和四分之一波片；所述起偏器位于所述第一扩瞳结构与所述波导基片的第一端面之间，所述四分之一波片位于所述第二扩瞳结构与所述波导基片的第二端面之间。

7.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，所述第二扩瞳结构位于所述波导基片的显示面一侧时，所述第二扩瞳结构包括第二柱透镜；

所述增强现实显示设备还包括第三柱透镜，所述第三柱透镜位于所述阵列光波导远离所述第二柱透镜的一侧。

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