CN218446228U - 一种增强现实光学系统和近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种增强现实光学系统和近眼显示装置，该增强现实光学系统，包括：显示模块、第一光学成像模块和第二光学成像模块；所述显示模块用于出射显示光束；所述第一光学成像模块位于所述显示光束的传播路径上，用于对所述显示光束进行成像，得到成像光束；所述第二光学成像模块位于所述成像光束的传播路径上，用于对所述成像光束进行二次成像，得到二次成像光束；用户眼睛分别位于所述二次成像光束和自然光线的传播路径上。本实用新型实施例提供的增强现实光学系统，能够实现增大出瞳距和增强现实光学系统的边缘至显示中心的距离，使得整个增强现实光学系统可以提供较大的视场范围，可以提高佩戴舒适性，提升用户体验。

Description

一种增强现实光学系统和近眼显示装置

技术领域

本实用新型实施例涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种增强现实光学系统和近眼显示装置。

背景技术

增强现实技术是采用近眼显示方案实现将虚拟图像叠加到现实场景上，给用户提供具有沉浸式和交互式的体验，除了在娱乐方面，在工业、医学等领域都有重要的意义。

现阶段，对于增强现实技术的显示方案通常有共轴棱镜方案、阵列光波导、全息光栅、光场和小孔成像等。

现有技术中，增强现实技术的显示方案主要存在出瞳距较短的问题，人眼必须离眼镜很近，甚至眼睛要贴到眼镜片上才能接收到完整的图像，严重影响佩戴的舒适性。因此，现有的增强现实光学系统不能同时满足大视场和佩戴舒适性的要求。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种增强现实光学系统和近眼显示装置，以提供一种具有较大视场范围且满足用户佩戴舒适性需求的光学系统。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种增强现实光学系统，包括显示模块、第一光学成像模块和第二光学成像模块；

所述显示模块用于出射显示光束；

所述第一光学成像模块位于所述显示光束的传播路径上，用于对所述显示光束进行成像，得到成像光束；

所述第二光学成像模块位于所述成像光束的传播路径上，用于对所述成像光束进行二次成像，得到二次成像光束；

用户眼睛分别位于所述二次成像光束和自然光线的传播路径上。

可选的，所述增强现实光学系统还包括第一透反单元；

所述第一透反单元位于所述第一光学成像模块和所述第二光学成像模块之间的光路中，用于透射所述成像光束至所述第二光学成像模块，并反射所述二次成像光束至所述用户眼睛。

可选的，所述增强现实光学系统还包括光波导单元；

所述光波导单元位于所述第一光学成像模块和所述第二光学成像模块之间的光路中，用于限定所述成像光束和所述二次成像光束的传播空间。

可选的，所述第一光学成像模块包括凸透镜单元；

所述显示光束经所述凸透镜单元汇聚后形成所述成像光束。

可选的，所述第一光学成像模块包括第一透镜单元、第一反射单元、第二透反单元和第一曲面反射单元；

所述显示光束依次经所述第一透镜单元透射、所述第一反射单元反射、所述第二透反单元反射、所述第一曲面反射镜反射以及所述第二透反单元透射后形成所述成像光束。

可选的，所述第二光学成像模块包括第二曲面反射单元；

所述成像光束经所述第二曲面反射单元反射后形成平行的二次成像光束。

可选的，所述第二光学成像模块包括第三曲面反射单元；

所述成像光束经所述第三曲面反射单元反射后形成汇聚的二次成像光束。

可选的，所述增强现实光学系统的出瞳距d满足10mm≤d≤25mm；

所述增强现实光学系统的边缘至显示中心的距离L满足25mm≤L≤35mm。

可选的，所述显示模块包括有机发光二极管显示模块。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种近眼显示装置，该近眼显示装置包括第一方面任一项所述的增强现实光学系统。

本实用新型实施例提供的增强现实光学系统，通过第一光学成像模块可以对显示模块中出射的显示光束进行一次成像，第二光学成像模块可以对第一光学成像模块中所成图像出射的成像光束进行二次成像，进而人眼可以接收到显示模块中显示的图像；同时，通过合理调节第一光学成像模块的焦距值，可以增大增强现实光学系统的边缘至显示中心的距离，进而可以增大出瞳距，使得整个增强现实光学系统可以提供较大的视场范围，可以提高佩戴舒适性，提升用户体验。

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做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本实用新型的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本实用新型的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本实用新型的权利要求范围之内。

图1是现有技术中一种增强现实光学系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种增强现实光学系统的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的另一种增强现实光学系统的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的又一种增强现实光学系统的结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的又一种增强现实光学系统的结构示意图；

图6是本实用新型实施例提供的一种近眼显示装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本实用新型实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本实用新型的技术方案，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所揭示和提示的基本概念，本领域的技术人员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是现有技术中一种增强现实光学系统的结构示意图，如图1所示，现有技术中的增强现实光学系统的结构示意图，如图1所示，现有技术中的增强显示光学系统包括显示模块11和成像模块12，显示模块11出射的光线经成像模块12成像后入射至用户眼睛400。增强现实光学系统与用户眼睛400之间的距离d’与成像模块12的焦距相关。现有技术中，增强现实光学系统与用户眼睛400之间的距离d’一般在7-8mm左右甚至更小，如果用户在佩戴增强现实光学系统时，眼睛与增强现实光学系统之间的距离较小，也就是出瞳距离较短，人眼必须离眼镜很近，有时甚至要眼睛贴到眼镜片上才能接受到完整的图像，不利于用户体验和舒适性。

基于上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种增强现实光学系统，包括显示模块、第一光学成像模块和第二光学成像模块；显示模块用于出射显示光束；第一光学成像模块位于显示光束的传播路径上，用于对显示光束进行成像，得到成像光束；第二光学成像模块位于成像光束的传播路径上，用于对成像光束进行二次成像，得到二次成像光束；用户眼睛分别位于二次成像光束和自然光线的传播路径上。采用上述技术方案，通过第一光学成像模块对显示光束进行一次成像，通过第二光学成像模块对成像光束进行二次成像，进而人眼可以接收到显示模块中显示的图像；同时，通过合理调节第一光学成像模块和第二光学成像模块的焦距值，可以增大增强现实光学系统的边缘至显示中心的距离，以及出瞳距，使得整个增强现实光学系统可以提供较大的视场范围，可以提高佩戴舒适性，提升用户体验。

以上是本实用新型的核心思想，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。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2是本实用新型实施例提供的一种增强现实光学系统的结构示意图，如图2所示，一种增强现实光学系统10，包括显示模块100、第一光学成像模块200和第二光学成像模块300。显示模块用于出射显示光束a，第一光学成像模块200位于显示光束a的传播路径上，用于对显示光束a进行成像，得到成像光束b。第二光学成像模块300位于成像光束b的传播路径上，用于对成像光束b进行二次成像，得到二次成像光束c。用户眼睛400分别位于二次成像光束c和自然光线的传播路径上。

示例性的，继续参考图2，第一光学成像模块200在显示光束a的传播路径上，显示模块100出射的显示光束a通过第一光学成像模块200后形成成像光束b，也就是一次成像光束，此时成像光束b可以作为二次成像模块300的光源，成像光束b再通过第二光学成像模块300进行二次成像，可以得到二次成像光束c，二次成像光束c可以传输至用户眼睛400，进而自然光和二次成像光束可以在用户眼睛400的视网膜中进行成像，即用户眼睛400可以同时看到显示模块100的虚拟图像和外界的真实景物，形成增强现实的观测效果。

具体地，参考图1和图2，现有技术中，仅进行一次成像，增强现实光学系统的边缘至显示中心的距离为L’，对比现有技术，本实用新型实施例通过增加第一光学成像模块200，可以进行一次成像，进而增大了增强现实光学系统10的边缘至显示中心的距离L；同时，通过合理调节第一光学成像模块200的结构，来调节第一光学成像模块200的焦距值，当第一光学成像模块200的焦距值增大时，即一次成像位置靠近第二光学成像模块300，进而可以调节第二光学成像模块300中的焦距值变小，因此出瞳距d的值增大，用户在佩戴增强现实光学系统时，即使眼睛与增强现实光学系统之间的距离较大，也就是出瞳距离较长时也能看到完整的图像。

需要说明的是，本实用新型实施例对于显示模块100、第一光学成像模块200、第二光学成像模块300的具体结构均不作限定，任何能实现相应功能的结构均在本实用新型的保护范围内。

本实用新型实施例提供的增强现实光学系统，通过第一光学成像模块可以对显示模块中出射的显示光束进行一次成像，第二光学成像模块可以对第一光学成像模块中所成图像出射的成像光束进行二次成像，进而人眼可以接收到显示模块中显示的图像；同时，通过合理调节第一光学成像模块的焦距值，可以增大增强现实光学系统的边缘至显示中心的距离，进而可以增大出瞳距，使得整个增强现实光学系统可以提供较大的视场范围，可以提高佩戴舒适性，提升用户体验。

可选的，继续参考图2，增强现实光学系统10还包括第一透反单元500。第一透反单元500位于第一光学成像模块200和第二光学成像模块300之间的光路中，用于透射成像光束b至第二光学成像模块300，并反射二次成像c光束至用户眼睛400。

示例性的，第一透反单元500可以是但不限于是半透半反镜。显示模块100出射的显示光束a经第一光学成像模块200进行一次成像后，该一次图像可以作为光源继续出射成像光束b，成像光束b传输至第一透反单元500，第一透反单元500可以对光束进行透射与反射，即成像光束b透过第一透反单元500后传输至第二光学成像模块300进行二次成像，形成二次成像光束c，二次成像光束c被第一透反单元500反射，进而在用户眼睛400的视网膜中叠加成像，即用户在能看到外界真事景物的基础上，还可以看到显示模块100中显示的图像。通过设置第一透反单元500可以将成像光束b进行透射，还可以将二次成像光束进行反射c，用户眼睛400可以同时看到显示模块100的虚拟图像和外界的真实景物，形成增强现实的观测效果。

可选的，继续参考图2，增强现实光学系统10还包括光波导单元600。光波导单元600位于第一光学成像模块200和第二光学成像模块300之间的光路中，用于限定成像光束b和二次成像光束c的传播空间。

示例性的，光波导单元600可以是条形介质的光波导单元，是可以引导成像光束b和二次成像光束c在其中传播的介质装置。

需要说明的是，将光波导单元600设置在位于第一光学成像模块200和第二光学成像模块300之间的光路中，可以避免因光线在传输的过程中外溢而造成成像不清晰的问题，因此，可以保证成像光束b和二次成像光束c在光波导单元600的范围内进行传输，从而可以保证成像的亮度及清晰度。

图3是本实用新型实施例提供的另一种增强现实光学系统的结构示意图，如图3所示，第一光学成像模块200包括凸透镜单元210。显示光束a经凸透镜单元210汇聚后形成成像光束b。

示例性的，参考图3，显示模块100出射的显示光束a经过第一光学成像模块200中的凸透镜单元210在光波导单元600的光路中进行汇聚成像，形成的图像会出射成像光束b，传输至第二光学成像模块300进行二次成像，二次成像光束c被第一透反单元500反射，进而在用户眼睛400的视网膜中叠加成像，即用户眼睛400可同时看到显示模块100的虚拟图像和外界的真实景物，形成增强现实的观测效果。

作为一种可行的实施方式，继续参考图3，第一光学成像模块200所成图像位置可以在第一透反单元500和第二光学成像模块300之间，即成像光束b经过第二光学成像模块300可以进行二次成像，二次成像光束c被第一透反单元500反射进入用户眼睛400。

作为另一种可行的实施方式，图4是本实用新型实施例提供的又一种增强现实光学系统的结构示意图，参考图4，第一光学成像模块200所成图像位置可以在第一光学成像模块200和第一透反单元500之间，即成像光束b经过第一透反单元500透射后经过第二光学成像模块300可以进行二次成像，二次成像光束c被第一透反单元500反射进入用户眼睛400。

需要说明的是，显示模块100出射显示光束a后经过第一光学成像模块200所成图像位置由第一光学成像模块200中凸透镜单元210的焦距决定，本实用新型实施例对第一光学成像模块200进行第一次成像的成像位置不做具体限定。具体地，通过合理调节第一光学成像模块200的结构，来调节第一光学成像模块200的焦距值，当第一光学成像模块200的焦距值增大时，即一次成像位置靠近第二光学成像模块300，进而可以调节第二光学成像模块300中的焦距值变小，因此出瞳距d的值增大，用户在佩戴增强现实光学系统时，即使眼睛与增强现实光学系统之间的距离较大，也就是出瞳距离较长时也能看到完整的图像。

可选的，继续参考图2，第一光学成像模块200包括第一透镜单元220、第一反射单元230、第二透反单元240和第一曲面反射单元250。显示光束a依次经第一透镜单元220透射、第一反射单元230反射、第二透反单元240反射、第一曲面反射镜250反射以及第二透反单元240透射后形成成像光束b。

示例性的，第一透镜单元220可以将显示模块100出射的显示光束a进行准直、过滤，进而可以提高显示光束a的成像质量。显示模块100出射的显示光束a经第一透镜单元220透射后，传输至第一反射单元230。第一反射单元230可以对显示光束a转折以折叠光路，使得光学系统的整体结构更加紧凑，可以极大地缩小光学系统的体积，经反射后的显示光束a传输至第二透反单元240，经过第二透反单元240反射后到达第一曲面反射镜250，再经过第一曲面反射镜250反射后，光束在光波导单元600中沿显示光路的传播路径传输至第二透反单元240，经过第二透反单元240透射后形成成像光束b，即完成一次成像。需要说明的是，通过在第一光学成像模块200中对第一透镜单元220、第一反射单元230、第二透反单元240和第一曲面反射单元250的合理设置，在能够保证进行一次成像的同时可以使整个增强现实光学系统10结构的紧凑性，小型化。

可选的，继续参考图1，第二光学成像模块300包括第二曲面反射单元310。成像光束b经第二曲面反射单元310反射后形成平行的二次成像光束c。

示例性的，第二曲面反射单元310可以是一种球面反射镜，用于对成像光束进行反射。可以理解的是，成像光束b经过第二曲面反射单元310反射后，可以形成平行的二次成像光束c，该平行的二次成像光束c再经过第一透反单元500反射可以形成平行光，平行光汇聚在用户眼睛400的视网膜(类似一个透镜)，成像成一个点，在一个范围内看(即眼盒)成像都在一个位置，可以保证用户眼睛400看到显示模块100的虚拟图像。

可选的，图5是本实用新型实施例提供的又一种增强现实光学系统的结构示意图。如图5所示，第二光学成像模块300包括第三曲面反射单元320。成像光束b经第三曲面反射单元320反射后形成汇聚的二次成像光束c。

可以理解的是，成像光束b经第三曲面反射单元320反射后形成汇聚的二次成像光束c，汇聚在用户眼睛400的视网膜上，成像成一个点，即用户可以看到显示模块100的虚拟图像。

可选的，继续参考图2，增强现实光学系统的出瞳距d满足10mm≤d≤25mm。增强现实光学系统的边缘至显示中心的距离L满足25mm≤L≤35mm。

示例性的，出瞳距d可以是自光学系统最后一面顶点到出瞳平面与光轴交点的距离。参考图1，一般情况下，仅进行一次成像的增强现实光学系统10的边缘至显示中心的距离L≤10mm，用户眼睛400需要距离增强现实光学系统10很近才能看到完整清晰的图像。而本实用新型提供的增强现实光学系统10可以使增强现实光学系统10的边缘至显示中心的距离L满足25mm≤L≤35mm。示例性的，L＝30mm。需要说明的是，该增强现实光学系统10的焦距值固定，可以通过合理调节第一光学成像模块200中的焦距值变大，使L值增大。由于增强现实光学系统10的焦距固定，当L值增大时，会使得出瞳距d值增大，示例性的，d＝20mm。通过合理调节第一光学成像模块100的焦距值，可以增大增强现实光学系统10的边缘至显示中心的距离L，进而可以增大出瞳距d，即使用户眼睛400在离增强现实光学系统10相对较远的距离也能看到显示模块100中显示的虚拟图像，进而使得整个增强现实光学系统可以提供较大的视场范围，避免出现眩晕等佩戴不适的现象，可以提高佩戴舒适性，提升用户体验。

可选的，继续参考图2，显示模块100包括有机发光二极管显示模块。

示例性的，显示装置100中的有机发光二极管显示模块可以包括多个有机发光二极管(organic light-emitting diode，OLED)，OLED可以在有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象，能够具有较高的像素分辨率，进行精细化的显示，提高显示效果。采用OLED出射显示光束a，进行图像显示，具有亮度高、功耗低、响应快、清晰度高、柔性好、发光效率高等特性。示例性的，显示模块100还可以是LED显示屏、LCD显示屏等能够出射显示光束进行图像显示的装置，关于显示模块100的具体类型本实用新型实施例不做具体限定。

本实用新型提供的一种增强现实光学系统，通过第一光学成像模块可以对显示模块中出射的显示光束进行一次成像，第二光学成像模块可以对第一光学成像模块中所成图像出射的成像光束进行二次成像，进而人眼可以接收到显示模块中显示的图像；同时，通过合理调节第一光学成像模块的焦距值，可以增大增强现实光学系统的边缘至显示中心的距离，进而可以增大出瞳距，使得整个增强现实光学系统可以提供较大的视场范围，可以提高佩戴舒适性，提升用户体验，此外，该增强现实光学系统通过对光学元件的合理布局，能够具备结构紧凑，体积小等优异性能。

基于同样的实用新型构思，本实用新型实施例还提供了一种近眼显示装置，图5是本实用新型实施例提供的一种近眼显示装置的结构示意图。如图5所示，近眼显示装置包括上述实施例中的增强现实光学系统，因此本实用新型实施例提供的近眼显示装置也具备上述实施例所描述的有益效果，此处不再赘述。

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、相互组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)

1.一种增强现实光学系统，其特征在于，包括显示模块、第一光学成像模块和第二光学成像模块；

所述显示模块用于出射显示光束；

所述第一光学成像模块位于所述显示光束的传播路径上，用于对所述显示光束进行成像，得到成像光束；

所述第二光学成像模块位于所述成像光束的传播路径上，用于对所述成像光束进行二次成像，得到二次成像光束；

用户眼睛分别位于所述二次成像光束和自然光线的传播路径上。

2.根据权利要求1所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述增强现实光学系统还包括第一透反单元；

所述第一透反单元位于所述第一光学成像模块和所述第二光学成像模块之间的光路中，用于透射所述成像光束至所述第二光学成像模块，并反射所述二次成像光束至所述用户眼睛。

3.根据权利要求1所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述增强现实光学系统还包括光波导单元；

所述光波导单元位于所述第一光学成像模块和所述第二光学成像模块之间的光路中，用于限定所述成像光束和所述二次成像光束的传播空间。

4.根据权利要求1所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述第一光学成像模块包括凸透镜单元；

所述显示光束经所述凸透镜单元汇聚后形成所述成像光束。

5.根据权利要求1所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述第一光学成像模块包括第一透镜单元、第一反射单元、第二透反单元和第一曲面反射单元；

所述显示光束依次经所述第一透镜单元透射、所述第一反射单元反射、所述第二透反单元反射、所述第一曲面反射镜反射以及所述第二透反单元透射后形成所述成像光束。

6.根据权利要求1所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述第二光学成像模块包括第二曲面反射单元；

所述成像光束经所述第二曲面反射单元反射后形成平行的二次成像光束。

7.根据权利要求1所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述第二光学成像模块包括第三曲面反射单元；

所述成像光束经所述第三曲面反射单元反射后形成汇聚的二次成像光束。

8.根据权利要求1所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述增强现实光学系统的出瞳距d满足10mm≤d≤25mm；

所述增强现实光学系统的边缘至显示中心的距离L满足25mm≤L≤35mm。

9.根据权利要求1所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述显示模块包括有机发光二极管显示模块。

10.一种近眼显示装置，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的增强现实光学系统。

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