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增强现实光学模组及头戴式显示装置

阅读：1033发布：2020-06-21

专利汇可以提供增强现实光学模组及头戴式显示装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种增强现实光学模组及头戴式显示装置，涉及增强现实成像技术领域。该增强现实光学模组包括图像源、分光镜凹面反射镜以及偏振装置。其中，图像源出射用于形成虚拟图像的光束。分光镜设于图像源的出光方向，用于对出射光分光，且分光镜所在的平面与图像源的法线之间形成一夹角。凹面反射镜设于分光镜的反射光线和/或透射光线的出光侧，用于对入射到凹面反射镜的光束会聚并反射。偏振装置设于分光镜与凹面反射镜之间。该头戴式显示装置包括佩戴端和成像端，成像端包括增强现实光学模组。该增强现实光学模组能够提高增强现实图像的对比度。，下面是增强现实光学模组及头戴式显示装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种增强现实光学模组，其特征在于，包括：
图像源，出射用于形成虚拟图像的光束；
分光镜，设于所述图像源的出光方向，用于对出射光分光，且所述分光镜所在的平面与所述图像源的法线之间形成一夹角；
凹面反射镜，设于所述分光镜的反射光线和/或透射光线的出光侧，用于对入射到所述凹面反射镜的光束会聚并反射；以及
偏振装置，所述偏振装置设于所述分光镜与所述凹面反射镜之间。
2.根据权利要求1所述的增强现实光学模组，其特征在于，所述分光镜所在的平面与所述图像源的法线之间夹角的角度范围在45°至50°之间。
3.根据权利要求1所述的增强现实光学模组，其特征在于，所述分光镜为半透半反镜，所述半透半反镜包括透明基板和镀于所述透明基板一面的半透半反膜。
4.根据权利要求3所述的增强现实光学模组，其特征在于，所述半透半反镜的透反比范围在2:8至8:2之间。
5.根据权利要求3所述的增强现实光学模组，其特征在于，所述半透半反镜的表面为平面。
6.根据权利要求5所述的增强现实光学模组，其特征在于，所述半透半反镜的厚度范围在0.3mm至2mm之间。
7.根据权利要求1或6所述的增强现实光学模组，其特征在于，所述凹面反射镜的厚度范围在0.5mm至3mm之间。
8.根据权利要求3所述的增强现实光学模组，其特征在于，所述半透半反镜的表面上还镀有增透膜。
9.根据权利要求1所述的增强现实光学模组，其特征在于，所述偏振装置胶合于所述凹面反射镜靠近所述分光镜的一面。
10.一种头戴式显示装置，其特征在于，包括佩戴端和成像端，所述成像端包括如权利要求1至9中任意一项所述的增强现实光学模组。

说明书全文

增强现实光学模组及头戴式显示装置

技术领域

[0001] 本实用新型涉及增强现实成像技术领域，具体而言，涉及一种增强现实光学模组及头戴式显示装置。

背景技术

[0002] 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，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。其不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形多重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。这项技术有数百种可能的应用，可广泛应用到军事、医疗、建筑、教育、工程、影视、娱乐等领域，其中游戏和娱乐是最显而易见的应用领域。

[0003] 增强现实光学系统中除了成像光线外，还存在扩散于像面上的其它非成像光线。它包括来自系统外部的辐射源(如阳光、地气光等)和内部辐射源以及散射表面的非成像光能量。比如光学元件、结构件等各折射面的反射光、仪器内壁的反射光，镜片本身的漫反射或者镜筒的反射等。目前，市面上的增强现实装置由于受到杂光的干扰，使得整个图像的层次减少、对比度降低，从而导致增强现实图像显示质量的恶化，降低了用户的增强现实体验，严重时会形成大小不等的杂光光斑，甚至可能导致光学系统失效。
实用新型内容

[0004] 本实用新型的目的在于提供一种增强现实光学模组及头戴式显示装置，其能够提高增强现实图像的对比度。

[0005] 本实用新型的实施例是这样实现的：

[0006] 本实用新型实施例的一方面，提供一种增强现实光学模组，该增强现实光学模组包括图像源、分光镜凹面反射镜以及偏振装置。其中，图像源出射用于形成虚拟图像的光束。分光镜设于所述图像源的出光方向，用于对出射光分光，且所述分光镜所在的平面与所述图像源的法线之间形成一夹角。凹面反射镜设于所述分光镜的反射光线和/或透射光线的出光侧，用于对入射到所述凹面反射镜的光束会聚并反射。所述偏振装置设于所述分光镜与所述凹面反射镜之间。该增强现实光学模组能够提高增强现实图像的对比度。

[0007] 在本实用新型较佳的实施例中，所述分光镜所在的平面与所述图像源的法线之间夹角的角度范围在45°至50°之间。

[0008] 在本实用新型较佳的实施例中，所述分光镜为半透半反镜，所述半透半反镜包括透明基板和镀于所述透明基板一面的半透半反膜。

[0009] 在本实用新型较佳的实施例中，所述半透半反镜的透反比范围在2:8至8:2之间。

[0010] 在本实用新型较佳的实施例中，所述半透半反镜的表面为平面。

[0011] 在本实用新型较佳的实施例中，所述半透半反镜的厚度范围在0.3mm至2mm之间。

[0012] 在本实用新型较佳的实施例中，所述凹面反射镜的厚度范围在0.5mm至3mm之间。

[0013] 在本实用新型较佳的实施例中，所述半透半反镜的表面上还镀有增透膜。

[0014] 在本实用新型较佳的实施例中，所述偏振装置胶合于所述凹面反射镜靠近所述分光镜的一面。

[0015] 本实用新型实施例的另一方面，提供一种头戴式显示装置，该头戴式显示装置包括佩戴端和成像端，所述成像端包括增强现实光学模组。该头戴式显示装置能够提高增强现实图像的对比度。

[0016] 本实用新型实施例的有益效果包括：

[0017] 本实用新型的增强现实光学模组由于在分光镜与凹面反射镜之间设置了偏振装置，由图像源发射的虚拟信息光束经过分光镜的分光一部分光束被反射，另一部分光束从分光镜透射。当凹面反射镜设于分光镜的透射光线的出光侧时，从分光镜透射的光束经过偏振装置，能够过滤掉与偏振装置的偏振方向相垂直的杂散光，其他的光束经过凹面反射镜的反射后第二次经过偏振装置，此时偏振装置能够进一步过滤掉残留的与偏振装置的偏振方向相垂直的杂散光，从而使得该增强现实光学模组中的杂散光在经过偏振装置的两次过滤后在一定程度上得到了有效地过滤去除，从而使得整个增强现实图像的对比度得到了提高，改善了增强现实图像的显示质量，提高了用户的增强现实体验。附图说明

[0018] 为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

[0019] 图1为本实用新型实施例提供的增强现实光学模组的结构示意图；

[0020] 图2为本实用新型实施例提供的增强现实光学模组中，凹面反射镜设于分光镜的透射侧的光路示意图；

[0021] 图3为本实用新型实施例提供的增强现实光学模组中，凹面反射镜设于分光镜的透射侧时环境光入射的光路示意图。

[0022] 图标：10-图像源；20-分光镜；30-凹面反射镜；40-偏振装置；50-眼睛；α-分光镜所在平面与图像源法线之间的夹角。

具体实施方式

[0023] 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。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

[0024] 因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。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。

[0025] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

[0026] 在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0027] 此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

[0028] 在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

[0029] 请参照图1，本实用新型实施例提供一种增强现实光学模组，该增强现实光学模组包括图像源10、分光镜20、凹面反射镜30以及偏振装置40。其中，图像源10用于发射虚拟信息光束。分光镜20设于图像源10的出光方向，用于对出射光进行分光，且分光镜20所在的平面与图像源10的法线之间形成一夹角。凹面反射镜30设于分光镜20的反射光线和/或透射光线的出光侧，用于对入射到凹面反射镜30的光束会聚并反射。偏振装置40设于分光镜20与凹面反射镜30之间。

[0030] 需要说明的是，第一，请再结合参照图3，分光镜20设于图像源10的出光方向上，且分光镜20所在的平面与图像源10的法线之间形成有一夹角。应理解，图像源10的法线方向是垂直于图像源10的设置方向的。这样一来，图像源10所发射的虚拟信息光束(也就是增强现实图像信息光束)便能通过分光镜20进行分光，以得到透射出分光镜20的透射光线和从分光镜20反射的反射光线。

[0031] 第二，凹面反射镜30设于分光镜20的反射光线和/或透射光线的出光侧。也就是说，凹面反射镜30可以设于分光镜20透射光线的出光侧时，也可以设于分光镜20反射光线的出光侧，亦或者凹面反射镜30可以在分光镜20透射光线的出光侧和分光镜20反射光线的出光侧各设一组。当凹面反射镜30在分光镜20透射光线的出光侧和分光镜20反射光线的出光侧各设一组时，在一定程度上可以降低图像源10发射的虚拟信息光束的光路损耗，从而可以提高增强现实图像光线的利用率。

[0032] 第三，当凹面反射镜30设于分光镜20透射光线的出光侧时，凹面反射镜30可以选用全反射镜，此时可以在一定程度上提高光束利用率；当凹面反射镜30设于分光镜20反射光线的出光侧时，凹面反射镜30需选用半透半反镜，这样设置是为了便于环境光从凹面反射镜30透射进入增强现实光学模组中，以使虚拟世界信息与现实世界信息相互叠加并进行互动。应理解，虚拟世界信息即为由图像源10发射的虚拟图像信息，现实世界信息即为外界环境光所呈现的真实场景信息，当环境光透过分光镜20进入眼睛50时，虚拟图像信息也通过分光镜20进入眼睛50，这样一来，用户的眼睛50便能同时接收到虚拟世界信息和现实世界信息，这两种信息相互叠加并进行互动，用户便能感受到增强现实体验。

[0033] 第四，请再结合参照图2，图2为凹面反射镜30设于分光镜20的透射侧时的光路示意图，当凹面反射镜30设于分光镜20的反射侧时与凹面反射镜30设于分光镜20的透射侧时原理相同，其光路原理图可参考图2得出，在此不再示出。偏振装置40具有起偏的功能，可以使天然光变成偏振光，且对入射光具有遮蔽和透过的功能，其可以使入射光的振动方向与偏振装置40的偏振方向平行的光束通过，而过滤掉与偏振装置40的偏振方向相垂直的光束。这样一来，从分光镜20反射的入射光或者从分光镜20透射的入射光第一次通过偏振装置40可以过滤掉一部分偏振态的杂散光，当光束经过凹面反射镜30的反射后，光束第二次经过偏振装置40可以将残留的杂散光进行第二次过滤，这样一来，光束两次经过偏振装置40在一定程度上便能有效地过滤掉增强现实光学模组中的杂散光，从而提高了增强现实图像的对比度。

[0034] 第五，偏振装置40用于使偏振态为第一方向的偏振光通过，使偏振态为第二方向的偏振光反射，第一方向与第二方向相互垂直。示例的，在本实施例中，第一方向的偏振光可以是P偏振光也可以是S偏振光。

[0035] 综上，本实用新型的增强现实光学模组由于在分光镜20与凹面反射镜30之间设置了偏振装置40，由图像源10发射的虚拟信息光束经过分光镜20的分光一部分光束被反射，另一部分光束从分光镜20透射。当凹面反射镜30设于分光镜20的透射光线的出光侧时，从分光镜20透射的光束经过偏振装置40，能够过滤掉与偏振装置40的偏振方向相垂直的杂散光，其他的光束经过凹面反射镜30的反射后第二次经过偏振装置40，此时偏振装置40能够进一步过滤掉残留的与偏振装置40的偏振方向相垂直的杂散光，从而使得整个增强现实图像的对比度得到了提高，改善了增强现实图像的显示质量，提高了用户的增强现实体验。

[0036] 需要说明的是，当凹面反射镜30设于分光镜20的反射光线的出光侧时，从分光镜20反射的光束经过偏振装置40过滤掉一部分与偏振装置40的偏振方向相垂直的杂散光，其他的光束经过凹面反射镜30的反射后第二次经过偏振装置40，此时偏振装置40进一步过滤掉一部分残留的与偏振装置40的偏振方向相垂直的杂散光；当凹面反射镜30分别设于分光镜20的反射光线的出光侧与分光镜20的透射光线的出光侧时，同理可参见上述两种情况。

[0037] 请再结合参照图3，为了保障图像光线的可视范围最大，在本实施例中，分光镜所在平面与图像源法线之间的夹角α在45°至50°之间。示例的，分光镜所在平面与图像源法线之间的夹角α可以为45°、46°、47°、48°、49°或者50°，优选地，分光镜所在平面与图像源法线之间的夹角α为45°。

[0038] 在本实施例中，分光镜20为半透半反镜，其中，半透半反镜包括透明基板和镀于透明基板一面的半透半反膜。半透半反镜针对的光束可以是偏振光也可以是自然光，因此，在本实施例中，对图像源10所发出的光束的特性也就没有特别要求，图像源10用于显示需要投射到人眼中的图像光束。其发出的光束可以是线偏振态的，也可以是无偏振态的，图像源10包括但不限于有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，简称OLED)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，简称LCOS)或者液晶显示器(Liquid Crystal Display，简称LCD)。

[0039] 需要说明的是，请结合参考图1与图3，分光镜20设置为半透半反镜，当凹面反射镜30设于分光镜20的透射光束的出光侧时，即分光镜20能够透过环境光至用户的眼睛50，并能够反射虚拟场景的光束至用户的眼睛50，使用户能够同时看到真实场景和虚拟场景；当凹面反射镜30设于分光镜20的反射光束的出光侧时，即分光镜20能够透过环境光至用户的眼睛50，并能够先反射再透射透射虚拟场景的光束至用户的眼睛50，使用户能够同时看到真实场景和虚拟场景。应理解，环境光即为真实场景的光束，虚拟场景的光束即为增强现实图像信息光束。

[0040] 为了消除因光束在半透半反镜中的多次反射或者多次透射导致的重影。半透半反镜的表面上还镀有增透膜，在本实施例中，增透膜镀于透明基板相对半透半反膜的一面。

[0041] 需要说明的是，当凹面反射镜30设于分光镜20的透射光束的出光侧时，半透半反膜镀在透明基板靠近凹面反射镜30的一侧，增透膜镀在透明基板靠近图像源10的一侧；当凹面反射镜30设于分光镜20的反射光束的出光侧时，半透半反膜镀在透明基板靠近凹面反射镜30的一侧，增透膜镀在透明基板靠近眼睛50的一侧。应注意，增透膜和半反半透膜可以互相更换位置，本领域技术人员可以根据实际情况适当调整。

[0042] 另外，半透半反镜的透过率占比范围为10％至90％之间，相对应的反射率占比范围在90％至10％。其中，优选地，半透半反镜的透反比范围在2:8至8:2之间。示例的，半透半反镜的透反比可以为2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2。具体情况下，半反半透膜的透反比可以根据需要进行设置，在此不做限制。

[0043] 在本实施例中，半透半反镜的表面可以为平面，也可带有一定的曲率，如球面、非球面、扩展多项式或者自由曲面。此外，半透半反镜的厚度通常是各处均匀相等的，以便使得人眼通过半透半反镜看到的外界景物无畸变或者畸变很小。优选地，半透半反射镜的表面为平面，这样一来，可以使得整个增强现实光学模组结构更紧凑。

[0044] 为了减轻增强现实光学模组的整体重量，在本实施例中，半透半反镜的厚度范围在0.3mm至2mm之间，且凹面反射镜30的厚度范围在0.5mm至3mm之间。这样可以使得整个增强现实光学模组整体更加轻便，佩戴起来更加舒适，从而提高了用户的增强现实体验。

[0045] 另外，在本实施例中，分光镜20的材质选用树脂注塑完成但不限于树脂，合适的光学塑料或者光学玻璃都可使用。

[0046] 在本实施例中，偏振装置40可以与凹面反射镜30分离，也可以与凹面反射镜30胶合。当偏振装置40胶合于凹面反射镜30靠近分光镜20的一面时，可使增强现实光学模组结构更紧凑、体积更小，用户使用起来更加舒适便捷。当偏振装置40与凹面反射镜30分离时，凹面反射镜30的面型可以选用如图1所示的曲面，一定程度上可以减轻增强现实光学模组的整体质量。

[0047] 本实施例还提供一种头戴式显示装置，该头戴式显示装置包括佩戴端和成像端，其中，成像端包括增强现实光学模组。

[0048] 需要说明的是，该头戴式显示装置包括但不限于增强现实眼镜、增强现实头盔或者增强现实面罩。其中，当该头戴式显示装置为增强现实眼镜时，佩戴端为镜框；当当该头戴式显示装置为增强现实头盔时，佩戴端为头盔外壳；当该头戴式显示装置为增强现实面罩时，佩戴端为面罩外层。

[0049] 以上所述仅为本实用新型的可选实施例而已，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。

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