CN215769226U - 增强现实显示系统和增强现实设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种增强现实显示系统和增强现实设备。增强现实显示系统包括：图像源；成像透镜组件，包括第一偏振分光棱镜、四分之一波片和透镜，第一偏振分光棱镜设于图像源的一侧，第一偏振分光棱镜具有第一分光面，四分之一波片设于第一偏振分光棱镜背对图像源的一侧，透镜设于四分之一波片背对第一偏振分光棱镜的一侧；以及波导片，设于成像透镜组件的侧方，波导片的入射面与成像透镜组件的主光轴平行，图像源射出的光线依次透过第一偏振分光棱镜和四分之一波片后，经透镜反射回第一分光面，以通过第一分光面反射并垂直射入波导片内。本申请使光线垂直入射波导片内，使得结构更小巧，制作形成的增强显示设备，更加便于佩戴和携带。

Description

增强现实显示系统和增强现实设备

技术领域

本实用新型涉及增强现实显示技术领域，特别涉及一种增强现实显示系统和应用该增强现实显示系统的增强现实设备。

背景技术

目前，增强现实(Augmented Reality，简称AR)显示技术发展迅速。AR技术的存在，使得用户在可看见虚拟现实的同时也能看见现实中场景，使虚拟与现实的交流更加便捷，因此备受用户青睐。

相关技术的增强现实设备，例如增强现实眼镜或头盔，其增强现实显示系统中成像透镜组件射出到波导片的光路，一般是呈倾斜的夹角射入波导片的入射面，这样在外面加装外壳结构时需要更大的空间进行容纳安装，从而导致整体体积较大，不便于携带。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种增强现实显示系统，旨在可以减小增强现实设备的整体体积，便于携带。

为实现上述目的，本实用新型提出的增强现实显示系统，包括：

图像源；

成像透镜组件，包括第一偏振分光棱镜、四分之一波片和透镜，所述第一偏振分光棱镜设于所述图像源的一侧，所述第一偏振分光棱镜具有第一分光面，所述四分之一波片设于所述第一偏振分光棱镜背对所述图像源的一侧，所述透镜设于所述四分之一波片背对所述第一偏振分光棱镜的一侧；以及

波导片，设于所述成像透镜组件的侧方，所述波导片的入射面与所述成像透镜组件的主光轴平行，所述图像源射出的光线依次透过所述第一偏振分光棱镜和所述四分之一波片后，经所述透镜反射回所述第一分光面，以通过所述第一分光面反射并垂直射入所述波导片内。

可选地，所述第一分光面设有偏振元件。

可选地，所述偏振元件为偏振分光膜或者金属线栅偏振片。

可选地，所述第一偏振分光棱镜面向所述波导片一侧的表面与所述第一分光面之间的夹角α为45°。

可选地，所述透镜为曲面透镜，所述曲面透镜包括相对设置的透射平面和非球面，所述透射平面面向所述四分之一波片设置，以使所述图像源射出的光线透过所述透射平面后，经所述非球面反射回所述第一分光面。

可选地，所述波导片为几何阵列光波导片。

可选地，所述成像透镜组件还包括第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜设于所述第一偏振分光棱镜面对所述图像源的一侧，所述第二偏振分光棱镜具有第二分光面，所述增强现实显示系统包括用以发出照明光线的光源，所述光源设于所述第二偏振分光棱镜的侧方，所述光源发出的照明光线进入所述第二偏振分光棱镜后，经所述第二分光面反射至所述图像源，并由所述图像源射出。

可选地，所述第二偏振分光棱镜面向所述光源一侧的表面与所述第二分光面之间的夹角β为45°，以使所述第二分光面反射的光线垂直射向所述图像源。

可选地，所述图像源、所述第二偏振分光棱镜、所述第一偏振分光棱镜、所述四分之一波片和所述透镜的中心位于同一直线上。

本实用新型还提出一种增强现实设备，包括外壳和上述任意一项所述的增强现实显示系统，所述增强现实显示系统设于所述外壳内。

本实用新型技术方案的增强现实显示系统，图像源射出光线后通过第一偏振分光棱镜，使得P偏振光可以完全透过；当P偏振光达到四分之一波片时，由于四分之一波片能够改变偏振光的状态，因此P偏振光在首次透过四分之一波片时，可以使线偏振光变为椭圆偏振光，而透过的椭圆偏振光被透镜反射回来后再次通过四分之一波片时，便可以变回线偏振光，并且P偏振光变为S偏振光。之后，S偏振光通过第一分光面反射后，耦合进入波导片片内。该方式中，通过在四分之一波片背对第一偏振分光棱镜的一侧设置透镜将光线反射回至第一偏振分光棱镜，从而使由图像源到成像透镜组件再到波导片的光路形成为来回折叠的光路，并且波导片的入射面与成像透镜组件的主光轴平行，这样折回的光线在经过第一分光面反射后可以垂直射入波导片片内，从而避免了光线与波导片之间存在倾斜入射夹角，这样在外面加装外壳时无需扩大外壳内的空间进行容纳，进而有效的减小了增强现实设备的整体体积，方便用户携带。同时，制作形成的增强显示设备，更加便于佩戴和携带。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型增强现实显示系统一实施例的结构示意图；

图2为图1中的部分结构示意图；

图3为本实用新型增强现实显示系统另一实施例的结构示意图；

图4为图3中的部分结构示意图；

图5为图4的另一视角视图；

图6为本实用新型增强现实显示系统中波导片一实施例的结构示意图；

图7为本实用新型增强现实设备一实施例的示意图。

附图标号说明：

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，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。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“且/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A且/或B为例”，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出一种增强现实显示系统100。

请参照图1和图2，在本实用新型实施例中，该增强现实显示系统100包括图像源10、成像透镜组件20和波导片30。

成像透镜组件20包括第一偏振分光棱镜21、四分之一波片22和透镜23，所述第一偏振分光棱镜21设于所述图像源10的一侧，所述第一偏振分光棱镜21具有第一分光面211，所述四分之一波片22设于所述第一偏振分光棱镜21背对所述图像源10的一侧，所述透镜23设于所述四分之一波片22背对所述第一偏振分光棱镜21的一侧。波导片30设于所述成像透镜组件20的侧方，波导片30的入射面与成像透镜组件20的主光轴平行，所述图像源10射出的光线依次透过所述第一偏振分光棱镜21和所述四分之一波片22后，经所述透镜23反射回所述第一分光面211，以通过所述第一分光面211反射并垂直射入波导片30内。

图像源10可用于输出图像，发出偏振光线，在本申请中，如图3至图5所示，图像源10既可以是接收其它照明光后输出图像，发出偏振光线，例如图像源10可以为LCD(液晶显示屏)、DLP(数字光处理)、LCOS(硅基液晶显示)中的任意一种；如图1和图2所示，图像源10也可以是自发光设备，无需其它照明光，其自身就可以输出图像，发出偏振光线，例如为OLED(机电激光显示屏)、QLED(量子点发光二极管)、以自发光的微米量级的LED为发光像素单元(Micro-LED)以及Mini-LED中的任意一种。

第一偏振分光棱镜21(PBS)是一种用于分离光线的水平偏振和垂直偏振的光学元件，其可以使P偏振分量完全透过，而绝大部分S偏振分量反射，因此，从图像源10射出的P偏振光可以透过第一偏振分光棱镜21而进入四分之一波片22。四分之一波片22能够改变偏振光的状态，将线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光进行相互变换。透镜23则用于将透过四分之一波片22的光线再次反射回去，以再次透过四分之一波片22后变为S偏振光，从第一分光面211反射出去。而在成像透镜组件20中只需设置一个透镜23，相比于相关技术中需要设置多个透镜23的结构，也使得增强现实显示系统100整体更加小巧、轻便。

波导片30面向成像透镜组件20的一侧具有入射面，第一分光面211反射的S偏振光通过该入射面进入波导片30内，在波导片30内前进传播后，最终从出射处射出，使得用户可以接收到由图像源10传来的信息光线。

因此，本实用新型技术方案的增强现实显示系统100，图像源10射出光线后通过第一偏振分光棱镜21，使得P偏振光可以完全透过；当P偏振光达到四分之一波片22时，由于四分之一波片22能够改变偏振光的状态，因此P偏振光在首次透过四分之一波片22时，可以使线偏振光变为椭圆偏振光，而透过的椭圆偏振光被透镜23反射回来后再次通过四分之一波片22时，便可以变回线偏振光，并且P偏振光变为S偏振光。之后，S偏振光通过第一分光面211反射后，耦合进入波导片30片内。该方式中，通过在四分之一波片22背对第一偏振分光棱镜21的一侧设置透镜23将光线反射回至第一偏振分光棱镜21，从而使由图像源10到成像透镜组件20再到波导片30的光路形成为来回折叠的光路，并且波导片30的入射面与成像透镜组件20的主光轴平行，这样折回的光线在经过第一分光面211反射后可以垂直射入波导片片30内，从而避免了光线与波导片30之间存在倾斜入射夹角，这样在外面加装外壳时无需扩大外壳内的空间进行容纳，进而有效的减小了增强现实设备的整体体积，方便用户携带。同时，制作形成的增强显示设备，更加便于佩戴和携带。

进一步地，在本申请的一实施例中，所述第一分光面211设有偏振元件(未图示)。

具体而言，偏振元件可以为偏振分光膜或者金属线栅偏振片。当偏振元件为偏振分光膜时，偏振分光膜可以镀覆在第一分光面211上；当振元件为金属线栅偏振片时，金属线栅偏振片可以贴附在第一分光面211上。可以理解地，通过在第一分光面211设置偏振元件，可以进一步改变第一偏振分光棱镜21的偏振特性，确保光线通过第一分光面211时，对P偏振光进行透过、对S偏振光进行反射。

继续参照图1，进一步地，本申请中，所述第一偏振分光棱镜21面向所述波导片30一侧的表面与所述第一分光面211之间的夹角α为45°。

该实施例中，第一偏振分光棱镜21面向波导片30一侧的表面与波导片30的入射面平行，因此从四分之一波片22反射回来的光线与第一分光面211之间形成45°的入射角和45°的反射角，当光线被反射出去时，便可垂直进入波导片30内。如此，避免光线达到波导片30时，可以使更多的光线垂直波导片30的入射面射入。

结合参照图4，本申请一实施例中，所述透镜23为曲面透镜23，所述曲面透镜23包括相对设置的透射平面231和非球面232，所述透射平面231面向所述四分之一波片22设置，以使所述图像源10射出的光线透过所述透射平面231后，经所述非球面232反射回所述第一分光面211。曲面透镜23的材质可以为玻璃、树脂或者液态光学胶等等，曲面透镜23的设置可以进一步提高增强现实显示系统100的光学性能。而在曲面透镜23中，一侧为非球面232，另一侧为透射平面231，不仅有利于控制透镜23的体积尺寸，而且光线通过透射平面231后再经过非球面232进行反射，使得整体的显示系统的显示效果更好。参照图5，进一步地，本申请中所述波导片30为几何阵列光波导片，几何阵列光波导片具有优良的滤波特性和多功能性，当用户在佩戴使用时，光学性能更好。

请结合参照图3至图5，在本申请的另一实施例中，所述成像透镜组件20还包括第二偏振分光棱镜24，所述第二偏振分光棱镜24设于所述第一偏振分光棱镜21面对所述图像源10的一侧，所述第二偏振分光棱镜24具有第二分光面241，所述增强现实显示系统100包括用以发出照明光线的光源40，所述光源40设于所述第二偏振分光棱镜24的侧方，所述光源40发出的照明光线进入所述第二偏振分光棱镜24后，经所述第二分光面241反射至所述图像源10，并由所述图像源10射出反射偏振光。

该实施例中，图像源10为本身不进行发光设备，其在接收光源40的照明光线后再射出P偏振光。第二偏振分光棱镜24位于第一偏振分光棱镜21与图像源10之间，在第二偏振分光棱镜24侧方的光源40发出光线后，其中S偏振光通过第二分光面241的反射进入图像源10，图像源10在处理后射出P偏振光，并在成像透镜组件20的光路中形成折叠的光路，从而便于各个光学元件的排布设置，有利于进行小体积的设计。

进一步地，所述第二偏振分光棱镜24面向所述光源40一侧的表面与所述第二分光面241之间的夹角β为45°，以使所述第二分光面241反射的光线垂直射向所述图像源10。其中，图像源10的光线入射面与第二偏振分光棱镜24面向所述光源40一侧的表面平行，可以理解地，如此设置，使得从光源40射出的照明光线经过第二分光面241反射后，垂直图像源10的光线入射面进入，从而使图像源10能够更好的对光源40的照明光线过滤以射出P偏振光。

进一步地，一实施例中，所述图像源10、所述第二偏振分光棱镜24、所述第一偏振分光棱镜21、所述四分之一波片22和所述透镜23的中心位于同一直线上。如此设置，使得光线从图像源10射出后，大部分能够经由第二偏振分光棱镜24、第一偏振分光棱镜21、四分之一波片22和透镜23进行传播，从而在射入波导片30后更加清晰、明亮。

参照图7，本实用新型还提出一种增强现实设备500，该增强现实设备500可以是增强现实眼镜或者头盔等等。该增强现实设备500包括外壳200和增强现实显示系统100，增强现实显示系统100设于所述外壳200内。例如，当增强现实设备500为增强现实眼镜时，增强现实眼镜的镜腿壳体形成为外壳200，即，增强现实显示系统100设于镜腿内。该增强现实显示系统100的具体结构参照上述实施例，由于本增强现实设备500采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种增强现实显示系统，其特征在于，包括：

图像源；

成像透镜组件，包括第一偏振分光棱镜、四分之一波片和透镜，所述第一偏振分光棱镜设于所述图像源的一侧，所述第一偏振分光棱镜具有第一分光面，所述四分之一波片设于所述第一偏振分光棱镜背对所述图像源的一侧，所述透镜设于所述四分之一波片背对所述第一偏振分光棱镜的一侧；以及

波导片，设于所述成像透镜组件的侧方，所述波导片的入射面与所述成像透镜组件的主光轴平行，所述图像源射出的光线依次透过所述第一偏振分光棱镜和所述四分之一波片后，经所述透镜反射回所述第一分光面，以通过所述第一分光面反射并垂直射入所述波导片内。

2.如权利要求1所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述第一分光面设有偏振元件。

3.如权利要求2所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述偏振元件为偏振分光膜或者金属线栅偏振片。

4.如权利要求1所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述第一偏振分光棱镜面向所述波导片一侧的表面与所述第一分光面之间的夹角α为45°。

5.如权利要求1所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述透镜为曲面透镜，所述曲面透镜包括相对设置的透射平面和非球面，所述透射平面面向所述四分之一波片设置，以使所述图像源射出的光线透过所述透射平面后，经所述非球面反射回所述第一分光面。

6.如权利要求1所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述波导片为几何阵列光波导片。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述成像透镜组件还包括第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜设于所述第一偏振分光棱镜面对所述图像源的一侧，所述第二偏振分光棱镜具有第二分光面，所述增强现实显示系统包括用以发出照明光线的光源，所述光源设于所述第二偏振分光棱镜的侧方，所述光源发出的照明光线进入所述第二偏振分光棱镜后，经所述第二分光面反射至所述图像源，并由所述图像源射出。

8.如权利要求7所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述第二偏振分光棱镜面向所述光源一侧的表面与所述第二分光面之间的夹角β为45°，以使所述第二分光面反射的光线垂直射向所述图像源。

9.如权利要求7所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述图像源、所述第二偏振分光棱镜、所述第一偏振分光棱镜、所述四分之一波片和所述透镜的中心位于同一直线上。

10.一种增强现实设备，其特征在于，包括外壳和如权利要求1至9中任意一项所述的增强现实显示系统，所述增强现实显示系统设于所述外壳内。

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