CN209014813U - 一种ar显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种AR显示设备。其中，设备包括：用于承载终端设备的设备支撑件、依次设于所述终端设备发出的光线的传播路径上的全反射镜、菲涅尔透镜以及半透半反镜；其中，所述菲涅尔透镜的有效光学面等效为非球面，所述非球面对应的非球面标准方程中：圆锥系数k在‑0.15到‑0.65之间，与所述非球面的中心点的曲率相关的二次项系数c在1/39.5‑1/29.5之间；所述终端设备发出的光线入射在所述全反射镜上，经所述全反射镜反射后入射在所述菲涅尔透镜上，并由所述菲涅尔透镜折射至所述半透半反镜上，在所述半透半反镜上与入射的真实环境光合光后，入射至位于出瞳位置处的人眼。上述结构提供的AR显示设备在具有较大视场角的同时，具有更高的成像质量。

Description

一种AR显示设备

技术领域

本实用新型涉及AR技术领域，尤其涉及一种AR显示设备。

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。这种技术将虚拟信息叠加到真实世界的场景中，实现真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成。

目前,大部分已有AR产品无法兼顾成像质量和视场角大小的问题，视场角较大的AR产品通常具有较差的成像质量。

实用新型内容

本实用新型提供一种AR显示设备，在具有较大视场角的同时，具有更高的成像质量。

本实用新型提供一种AR显示设备，包括：用于承载终端设备的设备支撑件、依次设于所述终端设备发出的光线的传播路径上的全反射镜、菲涅尔透镜以及半透半反镜；其中，所述菲涅尔透镜的有效光学面等效为非球面，所述非球面对应的非球面标准方程中：圆锥系数k在-0.15到-0.65之间，与所述非球面的中心点的曲率相关的二次项系数c在1/39.5-1/29.5之间；所述终端设备发出的光线入射在所述全反射镜上，经所述全反射镜反射后入射在所述菲涅尔透镜上，并由所述菲涅尔透镜折射至所述半透半反镜上，在所述半透半反镜上与入射的真实环境光合光后，入射至位于出瞳位置处的人眼。

进一步可选地，所述全反射镜与所述菲涅尔透镜成45°夹角，所述设备支撑件相对于所述菲涅尔透镜垂直设置，以使设于所述设备支撑件上的终端设备与所述全反射镜成45°夹角。

进一步可选地，所述半透半反镜与所述菲涅尔透镜成45°夹角。

进一步可选地，所述设备支撑件的中心与所述全反射镜的中心的连线，垂直于所述全反射镜的中心与所述菲涅尔透镜的中心的连线；所述全反射镜的中心与所述半透半反镜的中心的连线穿过所述菲涅尔透镜的中心。

进一步可选地，所述设备支撑件的中心到所述全反射镜的中心的距离在26.3-32.3mm之间。

进一步可选地，所述全反射镜的中心到所述菲涅尔透镜的中心的距离在23-33mm之间。

进一步可选地，所述菲涅尔透镜的中心到所述半透半反镜的中心的距离在28-34mm之间。

进一步可选地，还包括：AR盒子前盖以及AR盒子后盖；所述AR盒子前盖上设有用于观看虚实结合图像的观察孔，所述观察孔位于出瞳位置处。

进一步可选地，所述半透半反镜的中心到所述观察孔的距离在34-44mm之间。

进一步可选地，所述菲涅尔透镜的厚度在1-3mm之间。

本实用新型提供的AR显示设备中，对所采用的菲涅尔透镜进行优化，得到菲涅尔透镜的有效光学面的等效面对应的非球面标准方程中，圆锥系数k在-0.15到-0.65之间，与等效面的中心点的曲率相关的二次项系数c在1/39.5-1/29.5之间，基于上述参数优化得到的菲涅尔透镜具有更强的折光能力以及光线整形能力，以提供较大的视场角，并能够在成像的过程中平衡各种像差，以提升成像质量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型一实施例提供的AR显示设备的结构示意图；

图2是本实用新型另一实施例提供的AR显示设备的结构示意图；

图3a是本实用新型一实施例提供的AR显示设备针对红色的MTF曲线示意图；

图3b是本实用新型一实施例提供的AR显示设备针对绿色的MTF曲线示意图；

图3c是本实用新型一实施例提供的AR显示设备针对蓝色的MTF曲线示意图；

图4a是本实用新型一实施例提供的AR显示设备的畸变曲线示意图；

图4b是本实用新型一实施例提供的AR显示设备的畸变网格示意图；

图5是本实用新型一实施例提供的AR显示设备的场曲示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1是本实用新型一实施例提供的AR显示设备的结构示意图，如图1所示，该设备包括：用于承载终端设备的设备支撑件1、依次设于终端设备发出的光线的传播路径上的全反射镜2、菲涅尔透镜3以及半透半反镜4。

在上述结构中，菲涅尔透镜3为非球面菲涅尔透镜，其有效光学面等效面为一非球面。该非球面对应的非球面标准方程可以通过如下公式表示：

其中，z表示沿光轴方向的坐标，x表示沿菲涅尔透镜3的径向方向的坐标,c为与非球面的中心点的曲率相关的二次项系数，c＝1/x₀，x₀为等效面中心点的曲率半径,k为圆锥系数。

本实施例中，对菲涅尔透镜3的面型进行优化，根据优化结果，得到菲涅尔透镜3的有效光学面的等效面对应的非球面标准方程中的各参数的较优取值如下：圆锥系数k在-0.15到-0.65之间，与等效面的中心点的曲率相关的二次项系数c在1/39.5-1/29.5之间。

基于上述参数优化得到的菲涅尔透镜3具有更强的折光能力以及光线整形能力，以提供较大的视场角，并能够在成像的过程中平衡各种像差，以提升成像质量。除此之外，菲涅尔透镜3较高的遮光能力能够缩小光程，有利于进一步缩小AR显示设备的外形尺寸。

可选的，在上述实施例中，菲涅尔透镜的厚度可在1-3mm之间，该厚度能够在满足光程需求的同时，确保AR显示设备的轻量化。

基于上述结构，用户在使用AR显示设备时，可将终端设备放置在设备支撑件1上，并控制终端设备展示相应的虚拟图像。终端设备可以是智能手机或平板电脑等可以显示图像的设备。终端设备放置在设备支撑件1上时，设备支撑件1可对终端设备的位置进行固定，一方面避免终端设备脱落，另一方面能够将终端设备放置在合适的成像位置。

当设备支撑件1承载有终端设备且终端设备展示虚拟图像时，可有如下的光路追迹过程：

终端设备展示虚拟图像，虚拟图像对应的光线入射在全反射镜2上，经全反射镜2反射后入射在菲涅尔透镜3上，并由菲涅尔透镜3折射至半透半反镜4上，在半透半反镜4上与入射的真实环境光合光后，入射至位于出瞳位置处的人眼，进而人眼可以看到终端设备所展示的虚拟图像与真实环境景象的叠加图像。

可选的，在上述实施例中，半透半反镜4的面型可以是平面的，也可以是曲面的，如1中示意的平面面型仅为示例性说明。当半透半反镜4的面型为曲面时，半透半反镜4凹侧靠近菲涅尔透镜3，进而可对菲涅尔透镜反射来光线进行准直，提升了用户看到的虚拟图像的清晰度。无论是平面的半透半反镜或者是曲面的半透半反镜，可将其设计为等厚结构，以保证真实环境光无光焦度地进入人眼。为保证入眼的真实环境光的亮度，可设计半透半反镜3的反射率在50％-75％之间。

可选的，全反射镜2与菲涅尔透镜3成45°夹角，半透半反镜4与菲涅尔透镜成45°夹角，设备支撑件1相对于菲涅尔透镜3垂直设置，当设备支撑件1上放置有终端设备时，终端设备与全反射镜成45°夹角。上述位置关系以及角度设计，有利于减少终端设备发出的光线传播到半透半反镜4之前的畸变程度，提升用户看到的虚拟图像的质量。

在上述位置关系及角度设计的基础上，如图1所示，设备支撑件1的中心与全反射镜2的中心的连线，垂直于全反射镜2的中心与菲涅尔透镜3的中心的连线；全反射镜2的中心与半透半反镜4的中心的连线穿过菲涅尔透镜4的中心。基于该设计，终端设备发出的光线能够始沿着AR显示设备的光学系统的中轴传播，确保了人眼看到的图像的完整性以及对称性。

可选的，基于菲涅尔透镜3的面型参数，本实施例可进一步对AR显示设备的光学总长进行设计，以得到体积更加小型化的AR显示设备。

可选的，设备支撑件1处承载终端设备时，终端设备所在的面为物面，出瞳位置所在的面为像面，可以认为设备支撑件1到出瞳位置的距离为AR显示设备的光学总长(totaltrack length，TTL)。该光学总长由设备支撑件1的中心到全反射镜2的中心的距离、全反射镜2的中心到菲涅尔透镜3的中心的距离、菲涅尔透镜3的中心到半透半反镜4的中心的距离以及半透半反镜4到出瞳位置的距离计算得到。

在一可选的实施例中，可设计设备支撑件1的中心到全反射镜2的中心的距离在26.3-32.3mm之间、全反射镜2的中心到菲涅尔透镜3的中心的距离在23-33mm之间、菲涅尔透镜3的中心到半透半反镜4的中心的距离在28-34mm之间、半透半反镜4的中心到出瞳位置的距离在34-44mm之间。基于上述设计参数，得到的AR显示设备的光学总长在117.3-144.3mm之间，相对于现有技术而言，该光学总长可使得AR显示设备更加小型化。

可选的，如图2所示，本实用新型提供的AR显示设备还包括AR盒子前盖5以及AR盒子后盖6；AR盒子前盖5上设有用于观看虚实结合图像的观察孔7，观察孔7位于出瞳位置处，用户通过AR显示设备观看图像时，可将观察孔7放置在眼睛处。可选的，本实施例中，可通过设置半透半反镜4的中心到观察孔7的距离在34-44mm之间，进而，用户将观察孔7放置在眼睛处观看图像时，半透半反镜4的中心到人眼的距离在34-44mm之间，满足上述光学总长需求，有利于提升人眼观看到的图像的质量。

基于上述设计，可通过绘制MTF(Modulation Transfer Function，调制传递函数)曲线、光学场曲和畸变曲线以及畸变网格来对上述实施例提供的AR显示设备的成像质量进行分析。

图3a、图3b、图3c是本实用新型实施例提供的AR显示设备针对R(红)、G(绿)、B(蓝)三种颜色的MTF曲线。在图3a、图3b以及图3c中，横坐标表示AR显示设备包含的光学系统的空间频率(周期/mm)，也就是不同的视场，纵轴代表成像质量接近实物的百分比。MTF可以综合反映光学系统的成像质量，其曲线形状越平滑，且相对X轴的高度越高(即越接近1)，证明该光学系统的成像质量越好。在图3a、图3b以及图3c中，视场中心(0-1.0视场附近)处，曲线在X轴上非常接近1，成像效果能够达到像素级别的清晰度，在大视场角下，满足了人眼的15°分辨视域的观看需求，向用户提供了高质量的观看体验。

图4a是本实用新型实施例提供的AR显示设备的光学畸变曲线的一示意图。根据图4a所示，AR显示设备包含的光学系统的最大畸变(F-Tan(theta))范围在2％左右。图4b示意了上述光学系统对应的畸变网格，如图4b所示，畸变程度较小，在人眼无法察觉的范围内。

图5是本实用新型实施例提供的AR显示设备的光学场曲一示意图。在图5中，实线表示为子午(tangential)场曲，虚线表示弧矢(sagittal)场曲根据图5可知，AR显示设备包含的光学系统的弧矢(sagittal)场曲在合适的范围内，保证了成像的清晰度。

以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种AR显示设备，其特征在于，包括：

用于承载终端设备的设备支撑件、依次设于所述终端设备发出的光线的传播路径上的全反射镜、菲涅尔透镜以及半透半反镜；

其中，所述菲涅尔透镜的有效光学面等效为非球面，所述非球面对应的非球面标准方程中：圆锥系数k在-0.15到-0.65之间，二次项系数c在1/39.5-1/29.5之间；

所述终端设备发出的光线入射在所述全反射镜上，经所述全反射镜反射后入射在所述菲涅尔透镜上，并由所述菲涅尔透镜折射至所述半透半反镜上，在所述半透半反镜上与入射的真实环境光合光后，入射至位于出瞳位置处的人眼。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述全反射镜与所述菲涅尔透镜成45°夹角，所述设备支撑件相对于所述菲涅尔透镜垂直设置，以使设于所述设备支撑件上的终端设备与所述全反射镜成45°夹角。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述半透半反镜与所述菲涅尔透镜成45°夹角。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述设备支撑件的中心与所述全反射镜的中心的连线，垂直于所述全反射镜的中心与所述菲涅尔透镜的中心的连线；所述全反射镜的中心与所述半透半反镜的中心的连线穿过所述菲涅尔透镜的中心。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述设备支撑件的中心到所述全反射镜的中心的距离在26.3-32.3mm之间。

6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述全反射镜的中心到所述菲涅尔透镜的中心的距离在23-33mm之间。

7.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述菲涅尔透镜的中心到所述半透半反镜的中心的距离在28-34mm之间。

8.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，还包括：AR盒子前盖以及AR盒子后盖；所述AR盒子前盖上设有用于观看虚实结合图像的观察孔，所述观察孔位于出瞳位置处。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述半透半反镜的中心到所述观察孔的距离在34-44mm之间。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的设备，其特征在于，所述菲涅尔透镜的厚度在1-3mm之间。