CN215494352U - 一种单目增强现实系统、双目增强现实系统及头戴显示器 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供一种单目增强现实系统、双目增强现实系统及头戴显示器，单目增强现实显示系统包括：第一微显示屏，用于产生第一光束；第二微显示屏，用于产生第二光束；波导基片，包括第一耦出结构和第二耦出结构，所述第一光束投射至所述波导基片后由所述第一耦出结构出射到波导基片外，形成第一出射视场光；所述第二光束投射至所述波导基片后由所述第二耦出结构出射到波导基片外，形成第二出射视场光；所述第一出射视场光与所述第二出射视场光位于所述波导基片的同一侧，所述第一出射视场光的传播方向与所述第二出射视场光的传播方向交叉。本实用新型实施例提供一种单目增强现实系统、双目增强现实系统及头戴显示器，以实现扩大视场角。

Description

一种单目增强现实系统、双目增强现实系统及头戴显示器

技术领域

本实用新型涉及增强现实显示技术，尤其涉及一种单目增强现实系统、双目增强现实系统及头戴显示器。

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，用户沉浸感更强。

在实现本实用新型实施例过程中，实用新型人发现以上相关技术中多数为Birdbath、棱镜、自由曲面、光波导等技术。在前三种方案中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，AR显示系统的视场角普遍较小，现已知的设备视场角最大的约为42°。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种单目增强现实系统、双目增强现实系统及头戴显示器，以实现扩大视场角。

第一方面，本实用新型实施例提供一种单目增强现实显示系统，包括：

第一微显示屏，用于产生第一光束；

第二微显示屏，用于产生第二光束；

波导基片，包括第一耦出结构和第二耦出结构，所述第一光束投射至所述波导基片后由所述第一耦出结构出射到波导基片外，形成第一出射视场光；所述第二光束投射至所述波导基片后由所述第二耦出结构出射到波导基片外，形成第二出射视场光；

所述第一出射视场光与所述第二出射视场光位于所述波导基片的同一侧，所述第一出射视场光的传播方向与所述第二出射视场光的传播方向交叉。

可选地，所述波导基片包括第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对且相互平行；

所述第一耦出结构与所述第一表面的夹角大于或者等于19.7°且小于或者等于25.5°；

所述第二耦出结构与所述第一表面的夹角大于或者等于19.7°且小于或者等于25.5°。

可选地，所述第一耦出结构与所述第一表面的夹角大于或者等于19.7°且小于或者等于20.5°；

所述第二耦出结构与所述第一表面的夹角大于或者等于19.7°且小于或者等于20.5°。

可选地，还包括第一偏振器件，所述第一偏振器件位于所述第一微显示屏与所述波导基片之间，用于使所述第一光束具有第一偏振方向；

还包括第二偏振器件，所述第二偏振器件位于所述第二微显示屏与所述波导基片之间，用于使所述第二光束具有第二偏振方向；

所述第一偏振方向与所述第二偏振方向垂直。

可选地，所述第一微显示屏、所述第二微显示屏、所述第一出射视场光与所述第二出射视场光位于所述波导基片的同一侧。

可选地，还包括第一成像元件，所述第一成像元件位于所述第一微显示屏与所述波导基片之间；

还包括第二成像元件，所述第二成像元件位于所述第二微显示屏与所述波导基片之间。

可选地，所述波导基片的折射率小于或者等于1.56。

可选地，还包括第一镀膜层，所述第一镀膜层位于所述第一耦出结构远离所述第一微显示屏一侧的表面；

还包括第二镀膜层，所述第二镀膜层位于所述第二耦出结构远离所述第二微显示屏一侧的表面。

第二方面，本实用新型实施例提供一种双目增强现实显示系统，包括两个如第一方面所述的单目增强现实显示系统。

第三方面，本实用新型实施例提供一种头戴显示器，包括第一方面所述的单目增强现实显示系统或者第二方面所述的双目增强现实显示系统。

本实用新型实施例提供的单目增强现实显示系统中，包括波导基片、第一微显示屏和第二微显示屏，第一微显示屏发射的第一光束和第二微显示屏发射的第二光束均投射至同一个波导基片中，第一光束被第一耦出结构出射到波导基片外并形成第一出射视场光，第一出射视场光的传播空间构成了左侧视场。第二光束被第二耦出结构出射到波导基片外并形成第二出射视场光，第二出射视场光的传播空间构成了右侧视场。第一出射视场光的传播方向与第二出射视场光的传播方向交叉，从而第一出射视场光的传播方向与第二出射视场光的传播方向为两个不同方向传播的光束，使得左侧视场与右侧视场可以通过拼接的方式形成单目的全部视场，扩大了视场角。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种单目增强现实显示系统的示意图；

图2为图1中波导基片的部分结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种波导基片内光线传播示意图；

图4为本实用新型实施例提供的另一种波导基片内光线传播示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种波导基片耦出光线传播示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种单目增强现实显示系统的视场示意图；

图7为本实用新型实施例提供的一种双目增强现实显示系统的示意图；

图8为本实用新型实施例提供的一种头戴显示器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型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实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图1为本实用新型实施例提供的一种单目增强现实显示系统的示意图，图2为图1中波导基片的部分结构示意图，参考图1和图2，单目增强现实显示系统包括第一微显示屏11、第二微显示屏12和波导基片10。其中，第一微显示屏11用于产生第一光束L1。第二微显示屏12用于产生第二光束L2。第一微显示屏11和第二微显示屏12可以是采用如OLED(organic light-emitting diode，有机发光二极管)显示器这种主动发光型的图像显示器，也可以是采用如LCOS(Liquid Crystal on Silicon，液晶附硅)显示器或LCD液晶显示器这种被动发光型的图像显示器。波导基片10包括第一耦出结构41和第二耦出结构42，第一光束L1投射至波导基片10后由第一耦出结构41出射到波导基片10外，形成第一出射视场光L3。也就是说，第一耦出结构41用于将第一光束L1由波导基片10内出射到波导基片10外并形成第一出射视场光L3。类似的，第二光束L2投射至波导基片10后由第二耦出结构42出射到波导基片10外，形成第二出射视场光L4。也就是说，第二耦出结构42用于将第二光束L2由波导基片10内出射到波导基片10外并形成第二出射视场光L4。第一出射视场光L3与第二出射视场光L4位于波导基片10的同一侧，第一出射视场光L3的传播方向与第二出射视场光L4的传播方向交叉。

本实用新型实施例提供的单目增强现实显示系统中，包括波导基片10、第一微显示屏11和第二微显示屏12，第一微显示屏11发射的第一光束L1和第二微显示屏12发射的第二光束L2均投射至同一个波导基片10中，第一光束L1被第一耦出结构41出射到波导基片10外并形成第一出射视场光L3，第一出射视场光L3的传播空间构成了左侧视场。第二光束L2被第二耦出结构42出射到波导基片10外并形成第二出射视场光L4，第二出射视场光L4的传播空间构成了右侧视场。第一出射视场光L3的传播方向与第二出射视场光L4的传播方向交叉，从而第一出射视场光L3的传播方向与第二出射视场光L4的传播方向为两个不同方向传播的光束，使得左侧视场与右侧视场可以通过拼接的方式形成单目的全部视场，扩大了视场角。需要进一步地说明的是，第一微显示屏11发射的第一光束L1和第二微显示屏12发射的第二光束L2均投射至同一个波导基片10中，故而可以使第一微显示屏11和第二微显示屏12的亮度相同或者相近，减小了第一微显示屏11和第二微显示屏12的亮度调节难度，而且，仅使用一个波导基片10，相对于使用多个波导基片而言，减少了单目增强现实显示系统中波导基片10的使用数量，减薄了单目增强现实显示系统的厚度，从而有利于实现单目增强现实显示系统的小型化。

图3为本实用新型实施例提供的一种波导基片内光线传播示意图，图4为本实用新型实施例提供的另一种波导基片内光线传播示意图，结合参考图1-图4，波导基片10包括第一表面101和第二表面102，第一表面101与第二表面102相对且相互平行。第一耦出结构41与第一表面101的夹角为θ₁，第二耦出结构42与第一表面101的夹角为θ₂。图3和图4中以第二耦出结构42与第一表面101的夹角θ₂为例，对第二耦出结构42与第一表面101的夹角的选择对成像的影响做解释说明(第一耦出结构41与第一表面101的夹角θ₁的设置与θ₂类似)。参考图3，以波导基片10包括两个第二耦出结构42为例，但并不以此为限，在其他实施方式中，波导基片10还可以包括其他数量的第二耦出结构42。入射角为α_in-0的平行光在被第二耦出结构42耦出到波导基片10外时，出射方向与波导基片10的第二表面102垂直。波导基片10的折射率为n，则波导基片10的全反射临界角为α_c，满足：

在波导基片10内的入射光线指的是，入射到第一表面101或者入射到第二表面102的光线，只要入射光线在第一表面101和第二表面102满足发生全反射的条件即可，因此，入射到第一表面101或者入射到第二表面102的光线存在一个角度波动范围，即，可传输的入射光线的最大发散角FOVmax，FOVmax满足：

FOV_max＝90°-θ_min (1.2)

其中，θ_min为第二耦出结构42与第一表面101的夹角的最小值。

然而，波导基片10内实际可传输最大发散角FOVmax远小于上述公式(1.2)计算所得理想情况，这是因为在波导基片10内会有图4所示的情况。参考图4，入射角为α₁的平行光在传输过程中有两个方向的出射光，由于不同入射角度的平行光进入人眼会在视网膜上不同位置成像，所以人眼会在不同位置观察到入射角α₁的平行光所传递的像，其中一个像为“主像”，是增强现实显示系统所希望显示的像，另一个可以称为“鬼像”。对于入射角α₁的平行光而言，出射方向K1的光为主像来源，出射方向K2的光为鬼像来源。入射角α₁的平行光产生鬼像的出射方向与入射角α_e的平行光的主像出射方向是一致的，在这里我们称α_e是入射角α₁产生鬼像的等效入射角。

光在波导基片10内某一入射角α_in∈[α_min,α_max]，其中，α_min指的是入射到第一表面101或者入射到第二表面102的光线的最小入射角，α_max指的是入射到第一表面101或者入射到第二表面102的光线的最大入射角。入射到第一表面101或者入射到第二表面102的光线的中心入射角为α_mid，中心入射角α_mid的光线出射方向垂直于波导基片10的第二表面102，满足：

α_min＝α_c (1.3)

FOV＝α_max-α_min (1.5)

其中，FOV为波导基片10内可传输的入射光线的发散角，即，入射到第一表面101或者入射到第二表面102的光线的波动范围。中心入射角α_mid即为图3中的入射角为α_in-0，根据图1中的几何关系可得：

α_mid＝2θ₂ (1.6)

对于入射角为α_in的平行光而言，其鬼像等效入射角α_e为：

α_e＝180°-α_in-2θ₂ (1.7)

将公式(1.3)-公式(1.6)代入公式(1.7)，当主像和鬼像刚好接触时，可得：

若波导基片10采用材料为H-BAK5(n＝1.56)，采用长宽比为16:9的微型显示屏，根据公式(1.1)和公式(1.8)可得波导基片10内传输的视场角范围FOV＝24°，则增强现实显示系统的视场角约为43°，增强现实显示系统的视场角指的是，增强现实显示系统所显示得虚拟图像对人眼张角，增强现实显示系统的视场角越大，则沉浸感越强，增强现实显示系统的视场角越小，则沉浸感越弱。本实用新型实施例中，采用单目增强现实显示系统，单目增强现实显示系统的视场角为人眼对单目增强现实显示系统所显示图像的张角。考虑到制造以及装配时的公差，在设计时，入射角α_min应大于临界角α_c，否则可能会导致所需传输视场角不满足全反射条件而不能传输。而且为了使得鬼像与主像之间有一定的距离，α_max也需要适当减小。因此，在选择阵列光波导方案时，增强现实显示系统的视场角普遍不超过42°。这是需要进一步解决的问题。

根据上述分析，在阵列光波导方案的增强现实显示方案中，增强现实显示系统所能传输的最大视场角是与波导基片10的材料折射率相关，若要增大增强现实显示系统的视场角，一种方法可以采用更高折射率的材料，但是这种方法会使得加工工艺难度提升，也伴随着成本的提高。

根据公式(1.7)可知，α_e越小，鬼像和主像的距离越近，α_e越大，鬼像和主像的距离越远，若要增大α_e，则需减小α_in或者θ₂，其中，α_in由波导基片10的材料折射率以及增强现实显示系统所需传输视场角所限制，因此可以通过减小θ₂来增大α_e。本实用新型实施例通过减小θ₂，同理，也可以减小θ₁，增大鬼像和主像的距离，来提高增强现实显示系统所能传输的最大视场角。

可选地，第一耦出结构41与第一表面101的夹角大于或者等于19.7°且小于或者等于25.5°，即，19.7°≤θ₁≤25.5°。第二耦出结构42与第二表面102的夹角大于或者等于19.7°且小于或者等于25.5°，即，19.7°≤θ₂≤25.5°。

为了进一步地提高增强现实显示系统所能传输的最大视场角，还可以进一步地减小θ₁和θ₂，优选地，19.7°≤θ₁≤20.5°，19.7°≤θ₂≤20.5°。

继续参考图1，单目增强现实显示系统还包括第一偏振器件21，第一偏振器件21位于第一微显示屏11与波导基片10之间，第一偏振器件21用于使第一光束L1具有第一偏振方向，例如可以使第一光束L1变为S偏振光。单目增强现实显示系统还包括第二偏振器件22，第二偏振器件22位于第二微显示屏12与波导基片10之间，第二偏振器件22用于使第二光束L2具有第二偏振方向，例如可以使第二光束L2变为P偏振光。第一偏振方向与第二偏振方向垂直。本实用新型实施例中，通过设置第一偏振器件21和第二偏振器件22，避免了第一微显示屏11发出的第一光束L1被第二耦出结构42耦出，以及避免了第二微显示屏12发出的第二光束L2倍第一耦出结构41耦出，保证了单目增强现实显示系统的成像效果。

可选地，参考图1，第一微显示屏11、第二微显示屏12、第一出射视场光L3与第二出射视场光L4位于波导基片10的同一侧。本实用新型实施例中，第一微显示屏11发出的第一光束L1与经过第一耦出结构41耦出的第一出射视场光L3位于波导基片10的同一侧，第二微显示屏12发出的第二光束L2与经过第二耦出结构42耦出的第二出射视场光L4位于波导基片10的同一侧，从而便于将第一微显示屏11和第二微显示屏12设置于波导基片10临近人眼一侧，有利于减小单目增强现实显示系统的体积。

可选地，参考图1，单目增强现实显示系统还包括第一成像元件31，第一成像元件31位于第一微显示屏11与波导基片10之间。第一微显示屏11发出的第一光束L1经过第一成像元件31后变为平行光。单目增强现实显示系统还包括第二成像元件32，第二成像元件32位于第二微显示屏12与波导基片10之间。第二微显示屏12发出的第二光束L2经过第二成像元件32后变为平行光。

可选地，参考图1，波导基片10的折射率小于或者等于1.56。本实用新型实施例中，波导基片10的折射率小于或者等于1.56，波导基片10可以采用常规低折射率材料，使单目增强现实显示系统实现较大的视场角，降低了对材料的要求，由于避免采用高折射率材料，降低了加工成本。

可选地，单目增强现实显示系统还包括第一镀膜层(图中未示出)，第一镀膜层位于第一耦出结构41远离第一微显示屏11一侧的表面，第一镀膜层位于第一耦出结构41临近第一表面101的一侧。单目增强现实显示系统还包括第二镀膜层，第二镀膜层位于第二耦出结构42远离第二微显示屏12一侧的表面，第二镀膜层位于第二耦出结构42临近第一表面101的一侧。本实用新型实施例中，在第一耦出结构41远离第一微显示屏11一侧的表面设置有第一镀膜层，从而第一镀膜层可以减小第一耦出结构41远离第一微显示屏11一侧表面的反射光强度，减小因在第一耦出结构41远离第一微显示屏11一侧表面反射产生鬼像的影响。在第二耦出结构42远离第二微显示屏12一侧的表面设置有第二镀膜层，从而第二镀膜层可以减小第二耦出结构42远离第二微显示屏12一侧表面的反射光强度，减小因在第二耦出结构42远离第二微显示屏12一侧表面反射产生鬼像的影响。

示例性地，参考图1，单目增强现实显示系统还包括第一耦入结构51和第二耦入结构52。第一光束L1通过第一耦入结构51耦入到波导基片10中，并在波导基片10的第一表面101和第二表面102之间来回全反射。第二光束L2通过第二耦入结构52耦入到波导基片10中，并在波导基片10的第一表面101和第二表面102之间来回全反射。

图5为本实用新型实施例提供的一种波导基片耦出光线传播示意图，图6为本实用新型实施例提供的一种单目增强现实显示系统的视场示意图，参考图5和图6，示例性地，波导基片10的材料包括冕牌玻璃，具体地，采用的材料为H-BAK5(n＝1.56)，第一微显示屏11和第二微显示屏12的屏幕长宽比均为16:9，根据公式(1.1)、公式(1.3)-公式(1.7)可得临界角α_c＝39.87°，α_in∈[40.92°,63.08°]，θ₂＝26°＝26°(此处仍以θ₂为例，θ₁可以与θ₂相等)。为了获得大约60°的视场角，将θ₂减小21.92°，这样，从第一耦出结构41出射的光线对应左侧34.9°×19.6°范围的视场，从第二耦出结构42出射的光线对应右侧34.9°×19.6°范围的视场，左右两侧的视场在中间有4°×19.6°的重合视场，这样整个画面对角线的视场角大概为62.28°。进一步地，根据公式(1.1)、公式(1.3)-公式(1.7)可得：min(α_out)＝73.08°，其中，α_out就是α_e。min(α_out)代表α_out的最小值。主像和鬼像的距离为15.6°。即，左侧视场产生第一主像Z1和第一鬼像G1，第一主像Z1和第一鬼像G1的距离为15.6°。右侧视场产生第二主像Z2和第二鬼像G2，第二主像Z2和第二鬼像G2的距离为15.6°。

继续参考图4，鬼像的主要来源是因为入射到波导基片10内第一耦出结构41和第二耦出结构42背面的入射光线，本应穿透第一耦出结构41和第二耦出结构42继续传输，但是由于入射到第一耦出结构41和第二耦出结构42背面的入射角β太大而发生反射，因此改变了原本入射角，变成鬼像。实际在制作波导基片10时，当入射角β<85°时，可以在第一耦出结构41和第二耦出结构42上进行镀膜来大幅度减小反射率，从而抑制鬼像的亮度，提升显示效果。θ₂为21.92°时，对于任意入射角α_in的光，最大入射角βmax＝85°，所以可以通过镀膜的方式来抑制鬼像所带来的不良影响。其中，βmax为入射到第一耦出结构41或者第二耦出结构42背面的入射角β的最大值。

图7为本实用新型实施例提供的一种双目增强现实显示系统的示意图，参考图7，双目增强现实显示系统200包括两个单目增强现实显示系统100。其中，单目增强现实显示系统100可以采用上述任一实施例中的单目增强现实显示系统，从而扩大了双目增强现实显示系统的视场角。

图8为本实用新型实施例提供的一种头戴显示器的示意图，参考图8，头戴显示器包括上述实施例中的单目增强现实显示系统100或者双目增强现实显示系统200。头戴显示器包括单目增强现实显示系统100时，头戴显示器仅投射图像至单只眼睛，并保留另外一只眼睛直接观看外界环境。头戴显示器包括双目增强现实显示系统200时，头戴显示器投射图像至两只眼睛。由于头戴显示器包括上述实施例中的单目增强现实显示系统100或者双目增强现实显示系统200，本实用新型实施例增加了单目增强现实显示系统100和双目增强现实显示系统200的视场角，用户沉浸感更强。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型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实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种单目增强现实显示系统，其特征在于，包括：

第一微显示屏，用于产生第一光束；

第二微显示屏，用于产生第二光束；

波导基片，包括第一耦出结构和第二耦出结构，所述第一光束投射至所述波导基片后由所述第一耦出结构出射到波导基片外，形成第一出射视场光；所述第二光束投射至所述波导基片后由所述第二耦出结构出射到波导基片外，形成第二出射视场光；

所述第一出射视场光与所述第二出射视场光位于所述波导基片的同一侧，所述第一出射视场光的传播方向与所述第二出射视场光的传播方向交叉。

2.根据权利要求1所述的单目增强现实显示系统，其特征在于，所述波导基片包括第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对且相互平行；

所述第一耦出结构与所述第一表面的夹角大于或者等于19.7°且小于或者等于25.5°；

所述第二耦出结构与所述第一表面的夹角大于或者等于19.7°且小于或者等于25.5°。

3.根据权利要求2所述的单目增强现实显示系统，其特征在于，所述第一耦出结构与所述第一表面的夹角大于或者等于19.7°且小于或者等于20.5°；

所述第二耦出结构与所述第一表面的夹角大于或者等于19.7°且小于或者等于20.5°。

4.根据权利要求1所述的单目增强现实显示系统，其特征在于，还包括第一偏振器件，所述第一偏振器件位于所述第一微显示屏与所述波导基片之间，用于使所述第一光束具有第一偏振方向；

还包括第二偏振器件，所述第二偏振器件位于所述第二微显示屏与所述波导基片之间，用于使所述第二光束具有第二偏振方向；

所述第一偏振方向与所述第二偏振方向垂直。

5.根据权利要求1所述的单目增强现实显示系统，其特征在于，所述第一微显示屏、所述第二微显示屏、所述第一出射视场光与所述第二出射视场光位于所述波导基片的同一侧。

6.根据权利要求1所述的单目增强现实显示系统，其特征在于，还包括第一成像元件，所述第一成像元件位于所述第一微显示屏与所述波导基片之间；

还包括第二成像元件，所述第二成像元件位于所述第二微显示屏与所述波导基片之间。

7.根据权利要求1所述的单目增强现实显示系统，其特征在于，所述波导基片的折射率小于或者等于1.56。

8.根据权利要求1所述的单目增强现实显示系统，其特征在于，还包括第一镀膜层，所述第一镀膜层位于所述第一耦出结构远离所述第一微显示屏一侧的表面；

还包括第二镀膜层，所述第二镀膜层位于所述第二耦出结构远离所述第二微显示屏一侧的表面。

9.一种双目增强现实显示系统，其特征在于，包括两个如权利要求1-8任一项所述的单目增强现实显示系统。

10.一种头戴显示器，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的单目增强现实显示系统或者权利要求9所述的双目增强现实显示系统。

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