CN207965357U - 一种增强现实显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种增强现实显示装置，所述增强现实显示装置包括显示单元、全反镜和半透半反镜；所述显示单元用于输出图像；所述全反镜用于将所述显示单元输出的图像反射至所述半透半反镜上；所述半透半反镜对所述全反镜反射的图像进行反射，且对外界真实场景进行透射，经过所述半透半反镜反射的图像与经过所述半透半反镜透射的外界真实场景叠加后的虚拟现实图像，投射至使用者眼部。本实用新型的增强现实显示装置利用折返的光路设计，将显示单元的虚拟图像通过全反镜和半透半反镜投射至使用者眼部，同时使用者眼部可通过半反半透镜直接看到外界真实场景，从而实现增强现实显示(AR)的效果。

Description

一种增强现实显示装置

技术领域

本实用新型属于增强现实显示技术领域，更具体地说，本实用新型涉及一种成像清晰、成本低廉、3D效果显著的全新的增强现实显示装置。

背景技术

增强现实技术(Augmented Reality，简称AR)，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。现有光学透视增强现实设备，大多使用光波导成像或者自由曲面成像的成像方式，以上两种成像方式的光学引擎设计复杂，成本较高，同时存在视场角偏小的问题。

因此，有必要提出一种新的增强现实显示设备来解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种光学引擎结构简单、画面清晰且成本低廉的增强现实显示装置。

为此，本实用新型实施例提供一种增强现实显示装置，所述装置包括显示单元、全反镜和半透半反镜；

所述显示单元用于输出图像；

所述全反镜用于将所述显示单元显示输出的图像反射至所述半透半反镜上；

所述半透半反镜对所述全反镜反射的图像进行反射，且对外界真实场景进行透射，经过所述半透半反镜反射的图像与经过所述半透半反镜透射外界真实场景叠加后的虚拟现实图像，投射至使用者眼部。

在某些实施例中，所述显示单元包括显示屏和柱状透镜光栅，所述显示屏用于显示虚拟图像，所述柱状透镜光栅设置在所述显示屏上，所述柱状透镜光栅用于将所述显示屏的图像进行折射形成三维图像。

在某些实施例中，所述装置还包括放大镜，所述放大镜设置于所述全反镜和所述放大镜之间，所述放大镜用于对所述三维图像进行放大。

在某些实施例中，所述装置还包括第一光楔，所述第一光楔设置在使用者眼部与所述半透半反镜之间，其用于校正显示单元的画面投射光路，使得三维图像经所述第一光楔后投射至使用者眼部位置。

在某些实施例中，所述装置还包括第二光楔，所述第二光楔设置在所述半透半反镜与外界真实场景之间，外界真实场景依次经第二光楔、半透半反镜和第一光楔后，投射至使用者眼部位置，使得使用者眼部观看到由三维图像与外界真实场景叠合得到的集成图像。

在某些实施例中，所述第一光楔包括第一左光楔和第一右光楔，所述第一左光楔和第一右光楔关于第一光楔的中心线对称设置。

在某些实施例中，所述第二光楔包括第二左光楔和第二右光楔，所述第二左光楔和第二右光楔关于第二光楔的中心线对称设置。

在某些实施例中，所述第一左光楔与所述第二左光楔反向设置，所述第一右光楔与所述第二右光楔反向设置。

在某些实施例中，包括头盔外壳，所述头盔外壳前侧设有开口部，所述显示单元、全反镜、放大镜、第一光楔、第二光楔和半透半反镜均设置在所述开口部处，使用者佩戴所述头盔外壳时眼部可观看由三维图像与外界真实场景叠合得到的集成图像。

在某些实施例中，使用者眼部至三维图像的虚像的距离l应满足公式(1)：

l＝a+fb/(f+b)≥250mm (1)

式中，a为将折返光路拉直后使用者眼部与放大镜之间的间距，b为将折返光路放大镜与屏幕之间的间距，f为放大镜焦距，250mm为明视距离。

与现有技术相比，实施本实用新型具有以下有益效果：

1)本实用新型的增强现实显示装置利用折返的光路设计，将显示单元的虚拟图像通过全反镜和半透半反镜投射至使用者眼部，同时使用者眼部可通过半反半透镜直接看到外界真实场景，从而实现增强现实显示(AR)的效果。

2)本实用新型的增强现实显示装置还可以在全反镜和半反半透镜之间设置了一个放大镜，其对显示单元的三维图像进行放大，从而扩大增强现实显示视场角范围；

3)本实用新型的增强现实显示装置还可以在使用者眼部和半透半反镜之间放置第一光楔扭转画面投射角度，而在半反半透镜外和外界真实场景之间放置第二光楔，双光楔对外界真实场景光线，使用者眼部可见外界真实场景，将放大镜扭转的分屏画面重新投射至使用者眼部的左右眼部位置，实现3D观看效果。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，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实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施方式，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本实用新型实施例增强现实显示装置结构示意图；

图2为本实用新型实施例柱面镜光栅3D显示原理示意图；

图3为本实用新型实施例放大镜对柱面镜光栅光路的影响示意图；

图4为本实用新型实施例包括放大镜的增强现实显示装置结构示意图；

图5为本实用新型实施例光楔工作原理示意图；

图6为本实用新型实施例双光楔对外界真实场景光线的纠正示意图；

图7为本实用新型实施例增强现实显示装置的结构示意图；

图8为本实用新型实施例放大镜焦距计算示意图。

光楔图中，显示单元1，显示屏11，柱状透镜光栅12，全反镜2，放大镜3，第一光楔4，第一左光楔41，第一右光楔42，半透半反镜5，第二光楔6，第二左光楔61，第二右光楔62，使用者眼部7，使用者左眼71，使用者右眼72，外界真实场景光线8，中心线9。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式中附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型的实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1所示为本实用新型实施例提供的一种增强现实显示装置，该增强现实显示装置包括显示单元1、全反镜2和半透半反镜5；所述显示单元1用于输出图像；所述全反镜2用于将所述显示单元1输出的图像反射至所述半透半反镜5上；所述半透半反镜5对所述全反镜2反射的图像进行反射，且对外界真实场景进行透射，经过所述半透半反镜5反射的图像与经过所述半透半反镜5透射外界真实场景叠加后的虚拟现实图像，投射至使用者眼部7。本实用新型实施例中，设置了全反镜2和半透半反镜5对显示单元1输出的图像的光线进行折射形成一个折返光路，使用者眼部7可通过半反半透镜直接看到外界真实场景，从而实现增强现实显示(AR)的效果。

其中，所述显示单元1输出的图像可以是二维图像、三维图像或者视频图像等图像中的一种，可以是动态或者是静态的图像，以上均在本实用新型的保护范围之内。

在一个实施例中，如图2所示，为了使人的左右双眼分别看到不同的画面内容，以获得有3D效果的AR展示。本实用新型实施中所述显示单元1设置为包括显示屏11和柱状透镜光栅12，其中，所述柱状透镜光栅12设置在所述显示屏11上，具体地，所述柱状透镜光栅12以设计的形式排列，覆盖于显示屏11上。通过软件控制显示屏11上的输出内容，并利用柱状透镜光栅12的分光能力，将左右眼72画面分别投送，实现眼部7视差观看，获得3D显示的效果；所述全反镜2用于将所述显示单元1的三维图像反射至所述半透半反镜5上以形成折返光路，由于设置了半透半反镜5，因此使用者在使用本实用新型实施例的增强现实显示装置观看外界真实场景时，三维图像发出的光束经半透半反镜5反射后进入使用者眼部7，外界真实场景的光线通过半透半反镜5透射进入使用者眼部7，以使得使用者眼部7在空间对应的位置感知真实三维场景的光线与三维图像发出的光线融合成增强现实三维图像。需要说明的是，所述设计的形式为技术人员根据具体技术要求来设计柱面镜的排列方式，其可以是倾斜排列的形式，也可以是横向排列的形式，本发明实施例的柱面镜的排列形式不做限定。

在一较佳实施例中，如图3所示，所述增强现实显示装置还包括放大镜3，所述放大镜3设置于所述全反镜2和所述放大镜3之间，所述放大镜3用于对显示单元1的三维图像进行放大，大幅提高AR视场角和AR显示范围。

由于柱面镜光栅显示屏11是针对裸眼设计的光栅参数，而通过放大镜3后，光路有所改变，在同样观察距离或更短观察距离下，分屏画面投射至使用者眼部7时存在一定偏差，如图4所示。因此，在一较佳实施例中，如图5所示，所述装置还包括第一光楔4，所述第一光楔4设置在使用者眼部7与所述半透半反镜5之间，其用于校正显示单元1的画面投射光路，使得经放大镜3后的三维虚拟视差图像能够准确地投射至使用者眼部7所在位置。其中，图5所示，左图是3D屏视差图像经放大镜3后，无法准确进入双眼，右图中加入光楔后，将光线重新扭转进入眼部7。

第一光楔4的加入将柱面镜光栅3D显示屏11的分屏内容重新投入使用者眼部7位置，但人眼在观察外界真实场景时，因光路被所述第一光楔4扭转，三维图像和外界真实场景的重合存在一定误差。为此，在一较佳实施例中，如图5所示，进一步地，所述增强现实显示装置还包括第二光楔6，所述第二光楔6设置在所述半透半反镜5与外界真实场景之间，外界真实场景依次经第二光楔6、半透半反镜5和第一光楔4后，投射至使用者眼部7位置，使得使用者眼部7观看到由三维图像与外界真实场景叠合得到的集成图像。

进一步地，如图6所示，对应使用者眼部7左右眼72，本实用新型实施例中所述第一光楔4包括第一左光楔41和第一右光楔42，所述第一左光楔41和第一右光楔42关于第一光楔4的中心线9对称设置。其中所述第一左光楔41对应眼部7的左眼71，所述第二左光楔61对应眼部7的右眼72。

进一步地，如图6所示，对应使用者眼部7左右眼72以及第一左光楔41和第一右光楔42，本实用新型实施例中所述第二光楔6包括第二左光楔61和第二右光楔62，所述第二左光楔61和第二右光楔62关于第二光楔6的中心线9对称设置。其中，第一光楔4的中心线9与第二光楔6的中心线9为同一中心线9。

进一步地，如图6所示，所述第一左光楔41与所述第二左光楔61反向设置，所述第一右光楔42与所述第二右光楔62反向设置。所述第二左光楔61和第二右光楔62设置在所述半透半反镜5与外界真实场景之间，外界真实场景光线8依次经第二左光楔61、半透半反镜5和第一左光楔41后，投射至使用者左眼71，同时外界真实场景依次经第二右光楔62、半透半反镜5和第一右光楔42后，投射至使用者右眼72，使得使用者眼部7观看到由三维图像与外界真实场景叠合得到的集成图像。

在某些实施例中，为了便于使用，本实用新型实施例的增强现实显示装置包括头盔外壳，所述头盔外壳前侧设有开口部，所述显示单元1、全反镜2、放大镜3、第一光楔4、第二光楔6和半透半反镜5均设置在所述开口部处，显示单元1、全反镜2、放大镜3、第一光楔4、第二光楔6和半透半反镜5的位置关系如图7所示，使用者佩戴所述头盔外壳时眼部7可观看由三维图像与外界真实场景叠合得到的集成图像。除此之外，还可以将增强现实显示装置设置为眼镜结构，易于佩戴和使用。

在某些实施例中，显示屏11通过柱面镜光栅输出三维图像，该三维图像经过放大镜3放大后供人眼观看，此时人眼看到的图像为该三维图像的虚像，使用者眼部7至三维图像的虚像的距离l应满足公式(1)：

l＝a+fb/(f+b)≥250mm (1)

(1)式中，a为将折返光路拉直后使用者眼部7与放大镜3之间的间距，b为将折返光路放大镜3与屏幕之间的间距，f为放大镜3焦距，250mm为明视距离，明视距离就是在合适的照明条件下，眼睛最方便、最习惯的工作距离。

那么，根据式(1)，可以理解的是，对于头盔希望设计得更加紧凑，即a+b尽可能短，然而针对人眼需考虑成像距离应不小于明视距离，即l≥250mm。根据头盔的结构需求，即可大致确定屏幕与透镜间距，透镜与人眼间距，透镜焦距等重要设计参数。

通过以上实施例的描述可知，本实用新型的一种增强现实显示装置，利用折返的光路设计，将显示单元的虚拟图像通过全反镜和半透半反镜投射至使用者眼部，同时使用者眼部可通过半反半透镜直接看到外界真实场景，从而实现增强现实显示的效果。并在全反镜和半反半透镜之间设置了一个放大镜，其对显示单元的三维图像进行放大，从而扩大增强现实显示视场角范围；同时在使用者眼部和半透半反镜之间放置第一光楔扭转画面投射角度，而在半反半透镜外和外界真实场景之间放置第二光楔，双光楔对外界真实场景光线，使用者眼部可见外界真实场景，将放大镜扭转的分屏画面重新投射至使用者眼部的左右眼部位置，实现3D观看效果。

参考具体实施方式，尽管本实用新型已经在说明书和附图中进行了说明，但应当理解，在不脱离权利要求中所限定的本实用新型范围的情况下，所属技术领域人员可作出多种改变以及多种等同物可替代其中多种元件。而且，本文中具体实施方式之间的技术特征、元件和/或功能的组合和搭配是清楚明晰的，因此根据这些所公开的内容，所属技术领域人员能够领会到实施方式中的技术特征、元件和/或功能可以视情况被结合到另一个具体实施方式中，除非上述内容有另外的描述。此外，根据本实用新型的教导，在不脱离本实用新型本质的范围，适应特殊的情形或材料可以作出许多改变。因此，本实用新型并不限于附图所图解的个别的具体实施方式，以及说明书中所描述的作为目前为实施本实用新型所设想的最佳实施方式的具体实施方式，而本实用新型意旨包括落入上述说明书和所附的权利要求范围内的所有的实施方式。

Claims (10)

1.一种增强现实显示装置，其特征在于，所述增强现实显示装置包括显示单元、全反镜和半透半反镜；

所述显示单元用于输出图像；

所述全反镜用于将所述显示单元输出的图像反射至所述半透半反镜上；

所述半透半反镜对所述全反镜反射的图像进行反射，且对外界真实场景进行透射，经过所述半透半反镜反射的图像与经过所述半透半反镜透射的外界真实场景叠加后的虚拟现实图像，投射至使用者眼部。

2.根据权利要求1所述的一种增强现实显示装置，其特征在于，所述显示单元包括显示屏和柱状透镜光栅，所述显示屏用于输出图像，所述柱状透镜光栅设置在所述显示屏上，所述柱状透镜光栅用于将所述显示屏输出的图像进行折射形成三维图像。

3.根据权利要求2所述的一种增强现实显示装置，其特征在于，所述装置还包括放大镜，所述放大镜设置于所述全反镜和所述放大镜之间，所述放大镜用于对所述三维图像进行放大。

4.根据权利要求3所述的一种增强现实显示装置，其特征在于，所述装置还包括第一光楔，所述第一光楔设置在使用者眼部与所述半透半反镜之间，其用于校正显示单元的画面投射光路，使得三维图像经所述第一光楔后投射至使用者眼部位置。

5.根据权利要求4所述的一种增强现实显示装置，其特征在于，所述装置还包括第二光楔，所述第二光楔设置在所述半透半反镜与外界真实场景之间，外界真实场景依次经第二光楔、半透半反镜和第一光楔后，投射至使用者眼部位置，使得使用者眼部观看到由三维图像与外界真实场景叠合得到的集成图像。

6.根据权利要求5所述的一种增强现实显示装置，其特征在于，所述第一光楔包括第一左光楔和第一右光楔，所述第一左光楔和第一右光楔关于第一光楔的中心线对称设置。

7.根据权利要求6所述的一种增强现实显示装置，其特征在于，所述第二光楔包括第二左光楔和第二右光楔，所述第二左光楔和第二右光楔关于第二光楔的中心线对称设置。

8.根据权利要求7所述的一种增强现实显示装置，其特征在于，所述第一左光楔与所述第二左光楔反向设置，所述第一右光楔与所述第二右光楔反向设置。

9.根据权利要求8所述的一种增强现实显示装置，其特征在于，包括头盔外壳，所述头盔外壳前侧设有开口部，所述显示单元、全反镜、放大镜、第一光楔、第二光楔和半透半反镜均设置在所述开口部处，使用者佩戴所述头盔外壳时眼部可观看由三维图像与外界真实场景叠合得到的集成图像。

10.根据权利要求9所述的一种增强现实显示装置，其特征在于，使用者眼部至三维图像的虚像距离l应满足公式(1)：

l＝a+fb/(f+b)≥250mm(1)

式中，a为将折返光路拉直后使用者眼部与放大镜之间的间距，b为将折返光路放大镜与屏幕之间的间距，f为放大镜焦距，250mm为明视距离。