CN220154732U - Ar光机和ar显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种AR光机和AR显示装置。AR光机沿光路传播方向包括像源、透镜组和耦出口，其中，透镜组的视场角大于等于20°且小于等于50°，AR光机还包括至少一片变焦透镜，变焦透镜位于像源与耦出口之间，变焦透镜的最大有效直径DT与耦出口的高度H之间满足：0.9<DT/H<2。本实用新型解决了现有技术中的AR头戴式设备存在视觉辐辏调节冲突和整体较为厚重的问题。

Description

AR光机和AR显示装置

技术领域

本实用新型涉及光学成像设备技术领域，具体而言，涉及一种AR光机和AR显示装置。

背景技术

视觉辐辏调节冲突(Vergence-accommodation conflict，VAC)，是AR头戴式设备影响用户体验的重大问题，AR头戴式设备所成虚像通常为固定像距的虚像，通常经光波导耦出到人眼呈的虚像像距为无穷远。人的大脑习惯了视线和焦点处于同一位置，若虚像跟与实景物距相差较大，人眼辐辏与调焦功能会发生冲突，从而导致用于长时间佩戴AR头戴式设备容易出现眼疲劳或眩晕的情况。

AR头戴式设备通常包括AR光机和光波导，为缓解VAC，现有技术中的一些方案在光波导与人眼之间加入一片凹面镜，把虚像从无限远拉近，减小虚像距与实景物距的差，减轻VAC引起的不适。更有甚者，光波导与人眼之间的凹面镜设计为可变焦透镜，在人眼观察实景中不同物距时，凹面镜的光焦度同步变化，使虚像距与实景物距达到距一致，此时人眼可毫无压力将虚像与实景融合，达到最佳使用体验。但是该两个方案均增加了AR头戴式设备的整体厚度、重量，使得AR头戴式设备整体较为厚重，影响用户体验。

也就是说，现有技术中的AR头戴式设备存在视觉辐辏调节冲突和整体较为厚重的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种AR光机和AR显示装置，以解决现有技术中的AR头戴式设备存在视觉辐辏调节冲突和整体较为厚重的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种AR光机，沿光路传播方向包括像源、透镜组和耦出口，其中，透镜组的视场角大于等于20°且小于等于50°，AR光机还包括至少一片变焦透镜，变焦透镜位于像源与耦出口之间，变焦透镜的最大有效直径DT与耦出口的高度H之间满足：0.9<DT/H<2。

进一步地，透镜组的输出口的直径大于等于2mm且小于等于6mm。

进一步地，变焦透镜的最大有效直径DT大于等于2mm且小于等于10mm。

进一步地，变焦透镜的屈光度调节范围大于等于-5D且小于等于0D。

进一步地，变焦透镜的入光面和出光面中的至少一面为球面。

进一步地，变焦透镜独立设置，且变焦透镜位于透镜组与耦出口之间，变焦透镜与透镜组中靠近耦出口的透镜之间的距离T1大于等于0.1mm且小于等于2mm。

进一步地，变焦透镜的入光面为平面，变焦透镜的出光面为凹面，且变焦透镜的出光面为变焦面。

进一步地，透镜组的焦距f满足：5mm<f<15mm；和/或变焦透镜的最大有效直径DT满足：4mm<DT<10mm。

进一步地，变焦透镜与透镜组中靠近耦出口的透镜之间的距离T1与耦出口的高度H之间满足：0.001<T1/H<0.5。

进一步地，变焦透镜位于透镜组中，且变焦透镜位于透镜组中靠近耦出口的位置，变焦透镜的变焦面朝向耦出口设置。

进一步地，变焦透镜的有效焦距fz与变焦透镜的最大有效直径DT之间满足：fz/DT<-20。

进一步地，变焦面为凸面。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种AR显示装置，AR显示装置包括光波导和上述的AR光机。

应用本实用新型的技术方案，AR光机沿光路传播方向包括像源、透镜组和耦出口，其中，透镜组的视场角大于等于20°且小于等于50°，AR光机还包括至少一片变焦透镜，变焦透镜位于像源与耦出口之间，变焦透镜的最大有效直径DT与耦出口的高度H之间满足：0.9<DT/H<2。

通过将透镜组的视场角设置在20°到50°的范围内、设置变焦透镜且约束变焦透镜的最大有效直径DT与耦出口的高度H之间的比值，这样设置通过调整变焦透镜的屈光度，改变传输至耦出口的光束发散角，从而在人眼得到目标像距的虚像。结合眼动追踪及信号控制模块，可实现将虚像距与实景物距完美重合，缓解甚至解决VAC的问题，降低了用户长时间使用导致用眼疲劳的风险，提升用户体验。通过变焦透镜，让原本平行出射的光束以一定角度发散出射，从而拉近虚像距，以缓解视觉辐辏调节冲突。同时本申请是针对AR光机的具体结构的设计，而未在外部设置另外的光学器件，由于AR光机本身尺寸较小，因此不会增加后续AR显示装置的重量和厚度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术中的AR眼镜的光路图；

图2示出了本实用新型的一个可选实施例的AR显示装置的光路图；

图3示出了本实用新型的实施例一的AR显示装置的光路图；

图4示出了本实用新型的实施例二的AR显示装置的光路图；

图5示出了正常电压时变焦透镜的材料变化；

图6示出了电压改变后变焦透镜的材料变化；

图7示出了正常电压时变焦透镜的形状及出射光路；

图8示出了电压改变后变焦透镜的形状及出射光路。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、AR光机；11、像源；12、透镜组；13、变焦透镜；20、光波导；21、耦入口；30、人眼；40、光机；50、凸透镜；60、凹透镜。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本实用新型。

如图1所示，为现有技术中的AR眼镜的结构示意图。从图1中可以看出，现有技术中的AR眼镜通常包括光机40和光波导20，光机40发射的光进入光波导20中，进而经过光波导20的衍射传输，最终耦出在人眼30中成像。现有技术中的AR眼镜为解决视觉辐辏调节冲突，在光波导20与人眼30间插入一凹透镜60，将虚像距从无穷远拉近，并在光波导20远离人眼的一侧加一片凸透镜50，以矫正凹透镜60对实景的影响，该方案虽然缓解了VAC，但是增加了凸透镜50和凹透镜60，使得AR眼镜的厚度、重量均有明显增大，不利于长时间穿戴。

为了解决现有技术中的AR头戴式设备存在视觉辐辏调节冲突和整体较为厚重的问题，本实用新型提供了一种AR光机10和AR显示装置。

如图2至图8所示，AR光机10沿光路传播方向包括像源11、透镜组12和耦出口，其中，透镜组12的视场角大于等于20°且小于等于50°，AR光机10还包括至少一片变焦透镜13，变焦透镜13位于像源11与耦出口之间，变焦透镜13的最大有效直径DT与耦出口的高度H之间满足：0.9<DT/H<2。

通过将透镜组12的视场角设置在20°到50°的范围内、设置变焦透镜13且约束变焦透镜13的最大有效直径DT与耦出口的高度H之间的比值，这样设置通过调整变焦透镜13的屈光度，改变传输至耦出口的光束发散角，从而在人眼30得到目标像距的虚像。结合眼动追踪及信号控制模块，可实现将虚像距与实景物距完美重合，缓解甚至解决VAC的问题，降低了用户长时间使用导致用眼疲劳的风险，提升用户体验。通过变焦透镜13，让原本平行出射的光束以一定角度发散出射，从而拉近虚像距，以缓解视觉辐辏调节冲突。同时本申请是针对AR光机10的具体结构的设计，而未在外部设置另外的光学器件，由于AR光机10本身尺寸较小，因此不会增加后续AR显示装置的重量和厚度。

需要说明的是，变焦透镜13优选通电控制变焦，通过电压变化改变透镜材质折射率、改变曲面面形等方式来调节变焦透镜13的光焦度。变焦透镜13为无极变焦，每次调焦时间小于10ms。

优选地，1<DT/H<2；更优的，1<DT/H<1.5。

具体的，透镜组12的输出口的直径大于等于2mm且小于等于6mm。该透镜组12的输出口即为透镜组12的耦出口，透镜组12用于对像源11发出的光进行成像显示，通过约束透镜组12的输出口的直径在2mm到6mm的范围内，有利于约束透镜组12出射的光束的视场角，以保证像源11发射的大部分光均能顺利进入耦出口中，以便于后续成像，有利于保证光线传输效率。

具体的，变焦透镜13的最大有效直径DT大于等于2mm且小于等于10mm。通过约束变焦透镜13的最大有效直径DT在2mm到10mm的范围内，有利于保证变焦透镜13的尺寸与前端透镜和后端耦出口进行匹配，有利于用于成像的大部分光线能够被变焦透镜13接收到，保证变焦透镜13的使用可靠性。

具体的，变焦透镜13的屈光度调节范围大于等于-5D且小于等于0D。通过设置变焦透镜13的屈光度调节范围，有利于增加变焦透镜13的屈光度的变化范围，从而使得变焦透镜13可根据实际需求任意调整自身屈光度，从而有效拉近虚像距，以解决视觉辐辏调节冲突。

具体的，变焦透镜13的入光面和出光面中的至少一面为球面。这样设置有利于提升变焦透镜13的调整光焦度的连续性，以增加使用稳定性。

如图2所示，本申请还提供了一种AR显示装置，带箭头的实线为AR光机10光路，带箭头的虚线为实景光路。AR显示装置包括光波导20和上述的AR光机10，光波导20具有耦入口21，该耦入口21与上述AR光机10的耦出口重合，也可以理解为光波导20的耦入口21即为AR光机10的耦出口。AR光机10发射的光通过耦入口21进入光波导20中，通过光波导20的衍射传输然后耦出至人眼30进行成像显示。通过在AR光机10中设置变焦透镜13，能够有效解决视觉辐辏调节冲突的问题，同时避免了在光波导20与人眼30之间以及光波导20远离人眼30的一侧另外增加透镜的情况，节省了器件，相比于图1中的结构减轻的整体厚度和重量，增加了用户的体验。

在本申请中，AR显示装置为一种AR头戴式设备，具体为AR眼镜，但是不限于此。

下面结合具体附图和实施例来描述本申请的AR光机10和AR显示装置。

实施例一

如图3所示，示出了实施例一的AR显示装置的结构示意图。

如图3所示，AR显示装置包括AR光机10和光波导20，AR光机10为miniLED光机。图中黑色箭头表示光路传输方向。

在本实施例中，变焦透镜13独立设置，且变焦透镜13位于透镜组12与光波导20的耦入口21之间，通过变焦透镜13，让原本平行出射的光束发散出射，从而拉近虚像距。透镜组12由五片透镜组成，透镜组12用于对像源11发出的光进行成像显示。变焦透镜13与透镜组12中最靠近光波导20的耦入口21的透镜之间的水平距离T1大于等于0.1mm且小于等于2mm。通过合理约束该距离有利于保证变焦透镜13能够稳定接收透镜组12输出的大部分光线，保证光线传输效率。具体的，变焦透镜13与透镜组12中最靠近光波导20的耦入口21的透镜之间的水平距离T1为0.15mm。

在本实施例中，变焦镜片为平凹透镜，变焦透镜13的入光面为平面，变焦透镜13的出光面为凹面且为球面，且变焦透镜13的出光面为变焦面。

具体的，透镜组12的焦距f满足：5mm<f<15mm；变焦透镜13的最大有效直径DT满足：4mm<DT<10mm。在本实施例中，透镜组12的焦距f为5.7mm，变焦透镜13的最大有效直径DT为4.5mm。透镜组12的焦距f与变焦透镜13的最大有效直径DT之间的比值f/DT＝1.2667。

具体的，变焦透镜13与透镜组12中靠近耦出口的透镜之间的距离T1与耦出口的高度H之间满足：0.001<T1/H<0.5。在本实施例中，T1/H＝0.0375。这样设置有利于变焦透镜13位置与光波导20的耦入口21进行匹配，以保证变焦透镜13的使用可靠性。

在本实施例中，变焦透镜13的屈光度调节范围大于等于-4D且小于等于-0.5D，即投影虚像距为0.25m～2m。光波导20的耦入口21高度为4mm。

实施例二

如图4所示，示出了实施例二的AR显示装置的结构示意图。

如图4所示，AR显示装置包括AR光机10和光波导20。

在本实施例中，变焦透镜13位于透镜组12中，也就是说透镜组12包含变焦透镜13，透镜组12包括五片透镜，五片透镜中最靠近光波导20的耦入口21的透镜为变焦透镜13，即为变焦透镜13位于透镜组12中靠近耦出口的位置，变焦透镜13的变焦面朝向光波导20的耦入口21设置。变焦透镜13的入光面为凹面，出光面为凸面。

具体的，变焦透镜13的有效焦距fz与变焦透镜13的最大有效直径DT之间满足：fz/DT<-20，在本实施例中，fz/DT＝-100。变焦透镜13与透镜组12中最靠近光波导20的耦入口21的透镜之间的水平距离T1为2mm；变焦透镜13的最大有效直径DT为5mm；变焦透镜13的屈光度调节范围大于等于-2D且小于等于0D，即投影虚像距为0.5m～∞。

如图4所示，变焦透镜13的出光面为变焦面，实线表示的是变焦前的曲面及出射光路，虚线的表示变焦后的曲面及出射光路。

综上，参考图5至图8，描述了变焦透镜13实现变焦的原理。AR眼镜的眼动追踪模块判断人眼30观察的物距后，将信息传输至控制模块，控制模块输出变焦信号调节电压，完成变焦。具体变焦方式包含但不限于以下两种：图5和图6为通过改变变焦透镜13电压调节折射率变化，用以实现变焦；其中，图5为正常电压时，变焦透镜13材料内的分析有序排列，图6为电压改变后，变焦透镜13材料内分析排列变化，引起折射率变化；图7和图8为通过改变电压，调节曲面曲率，以实现变焦；图7为正常电压时，变焦透镜13中的光射出面曲率较大，屈光度较大，出射光线为平行光，图8为改变电压后，变焦透镜13中的光射出面曲率减小，屈光度减小，出射光线为发散光束。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种AR光机，其特征在于，沿光路传播方向包括像源（11）、透镜组（12）和耦出口，其中，所述透镜组（12）的视场角大于等于20°且小于等于50°，所述AR光机还包括至少一片变焦透镜（13），所述变焦透镜（13）位于所述像源（11）与所述耦出口之间，所述变焦透镜（13）的最大有效直径DT与所述耦出口的高度H之间满足：0.9<DT/H<2。

2.根据权利要求1所述的AR光机，其特征在于，所述透镜组（12）的输出口的直径大于等于2mm且小于等于6mm。

3.根据权利要求1所述的AR光机，其特征在于，所述变焦透镜（13）的最大有效直径DT大于等于2mm且小于等于10mm。

4.根据权利要求1所述的AR光机，其特征在于，所述变焦透镜（13）的屈光度调节范围大于等于-5 D且小于等于0D。

5.根据权利要求1所述的AR光机，其特征在于，所述变焦透镜（13）的入光面和出光面中的至少一面为球面。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的AR光机，其特征在于，所述变焦透镜（13）独立设置，且所述变焦透镜（13）位于所述透镜组（12）与所述耦出口之间，所述变焦透镜（13）与所述透镜组（12）中靠近所述耦出口的透镜之间的距离T1大于等于0.1mm且小于等于2mm。

7.根据权利要求6所述的AR光机，其特征在于，所述变焦透镜（13）的入光面为平面，所述变焦透镜（13）的出光面为凹面，且所述变焦透镜（13）的出光面为变焦面。

8.根据权利要求6所述的AR光机，其特征在于，

所述透镜组（12）的焦距f满足：5 mm <f<15mm；和/或

所述变焦透镜（13）的最大有效直径DT满足：4mm< DT<10mm。

9.根据权利要求6所述的AR光机，其特征在于，所述变焦透镜（13）与所述透镜组（12）中靠近所述耦出口的透镜之间的距离T1与所述耦出口的高度H之间满足：0.001<T1/H<0.5。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的AR光机，其特征在于，所述变焦透镜（13）位于所述透镜组（12）中，且所述变焦透镜（13）位于所述透镜组（12）中靠近所述耦出口的位置，所述变焦透镜（13）的变焦面朝向所述耦出口设置。

11.根据权利要求10所述的AR光机，其特征在于，所述变焦透镜（13）的有效焦距fz与所述变焦透镜（13）的最大有效直径DT之间满足：fz/DT<-20。

12.根据权利要求10所述的AR光机，其特征在于，所述变焦面为凸面。

13.一种AR显示装置，其特征在于，所述AR显示装置包括光波导（20）和权利要求1至12中任一项所述的AR光机（10）。