CN112882229A - 一种增强现实显示系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种增强现实显示系统，包括显示图像源、光束折叠结构、光线准直结构、波导基底以及位于所述波导基底内的波导内反射面，所述光束折叠结构包括部分反射部分透射面；其中，所述部分反射部分透射面用于将来自所述显示图像源的光束传输至所述光线准直结构以及将经过所述光线准直结构反射的光束传输至所述波导基底，所述光线准直结构用于对光束进行准直并反射至所述部分反射部分透射面，所述波导基底用于对光束进行反射传播使其进入所述波导内反射面，所述波导内反射面用于将光束耦合输出至人眼。根据本申请的方案，通过利用反射折叠结构，能够实现紧凑眼镜式的AR显示系统，且可以有效增大外部视野透过率，实现较大FOV。
Description
技术领域
本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种增强现实显示系统。
背景技术
显示系统可用于使得期望图像对用户可见，如在头戴式设备中可采用光学显示系统来传输和显示所期望的图像，以使人眼可见，而增强现实(Augmented Reality，AR)技术作为一种实现虚拟与现实结合的技术，已经得到越来越多的关注，AR显示系统可用于使得使用者在真实场景的基础上感受到数字图像所产生的虚拟效果。现有技术中，AR显示系统通常采用Birdbath、自由曲面棱镜或阵列波导来实现。
然而，现有技术中的AR显示系统由于体积较大，无法做成眼镜式的显示系统，并且穿透率较低，影响外部视野的观看，从而导致佩戴体验较差。
发明内容
本申请的目的是提供一种结构新颖紧凑、体积较小的AR显示系统。
根据本申请的一个方面，提供一种增强现实显示系统，包括显示图像源、光束折叠结构、光线准直结构、波导基底以及位于所述波导基底内的波导内反射面，所述光束折叠结构包括部分反射部分透射面；
其中，所述部分反射部分透射面用于将来自所述显示图像源的光束传输至所述光线准直结构以及将经过所述光线准直结构反射的光束传输至所述波导基底，所述光线准直结构用于对光束进行准直并反射至所述部分反射部分透射面，所述波导基底用于对光束进行反射传播使其进入所述波导内反射面，所述波导内反射面用于将光束耦合输出至人眼。
在一些实施例中，所述部分反射部分透射面用于将来自所述显示图像源的光束部分透射至所述光线准直结构，以及将经过所述光线准直结构反射的光束部分反射至所述波导基底。
在一些实施例中，所述部分反射部分透射面用于将来自所述显示图像源的光束部分反射至所述光线准直结构，以及将经过所述光线准直结构反射的光束部分透射至所述波导基底。
在一些实施例中，所述增强现实显示系统还包括位于所述显示图像源与所述光束折叠结构之间的第一光学结构。
在一些实施例中，所述增强现实显示系统还包括位于所述光束折叠结构与所述光线准直结构之间的第二光学结构。可选地，所述第二光学结构为1/4波片或45°相位延迟片，所述光束折叠结构具有偏振分光作用；可选地，所述光束折叠结构为以下任一项：PBS、线光栅、反射式偏振片。
在一些实施例中，所述波导内反射面包括多个反射面。
在一些实施例中，所述光线准直结构为以下任一项：至少一个反射镜、至少一个透射透镜、反射透射透镜组合。
在一些实施例中，所述波导内反射面为平面反射面或曲面反射面。
与现有技术相比，本申请具有以下优点：通过利用反射折叠结构，使得AR显示系统的体积较小，从而能够实现紧凑眼镜式的AR显示系统，且可以有效增大外部视野透过率，提高AR显示系统中外部世界进入人眼的光线能量，透过率可达95％以上；此外，通过将波导内反射面设计为包括多排反射面，可实现较大FOV(Field Of View，视场角)。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出了本申请一个示例的AR显示系统的结构示意图；
图2示出了基于图1所示AR显示系统实现大FOV的原理示意图；
图3示出了图1中所示的波导内反射面的排列方式的示意图；
图4示出了本申请另一个示例的AR显示系统的结构示意图；
图5示出了本申请另一个示例的AR显示系统的结构示意图；
图6示出了本申请另一个示例的AR显示系统的结构示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述。
根据本申请的一个方面，提供了一种增强现实显示系统，包括显示图像源、光束折叠结构、光线准直结构、波导基底以及位于所述波导基底内的波导内反射面，所述光束折叠结构包括部分反射部分透射面；其中，所述部分反射部分透射面用于将来自所述显示图像源的光束传输至所述光线准直结构以及将经过所述光线准直结构反射的光束传输至所述波导基底，所述光线准直结构用于对光束进行准直并反射至所述部分反射部分透射面，所述波导基底用于对光束进行反射传播使其进入所述波导内反射面，所述波导内反射面用于将光束耦合输出至人眼。
其中，所述显示图像源用于发出显示图像的光束，所述显示图像源包括但不限于：LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、OLED (Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)、micro-OLED(micro Organic Light-Emitting Diode，微有机发光二极管)、micro-LED(micro Light-Emitting Diode，微发光二极管)、LCoS(Liquid Crystal onSilicon，液晶附硅)。
需要说明的是，上述各种显示图像源仅为举例，本申请并不对所述显示图像源进行限制，本领域技术人员用能理解，任何用于发出显示图像的光束的元件或结构，均应包含在本申请所述的显示图像源的范围内。
其中，所述部分反射部分透射面用于实现光束的透射和反射，显示图像源发出光束后，光束会两次进入所述部分反射部分透射面。在一些实施例中，所述部分反射部分透射面用于将来自所述显示图像源的光束部分透射至所述光线准直结构，以及将经过所述光线准直结构反射的光束部分反射至所述波导基底，也即，显示图像源发出的光束第一次经过所述部分反射部分透射面时部分透射至所述光线准直结构，在经过所述光线准直结构反射后，第二次经过所述部分反射部分透射面时部分反射至所述波导基底。在另一些实施例中，所述部分反射部分透射面用于将来自所述显示图像源的光束部分反射至所述光线准直结构，以及将经过所述光线准直结构反射的光束部分透射至所述波导基底，也即，显示图像源发出的光束第一次经过所述部分反射部分透射面时部分反射至所述光线准直结构，在经过所述光线准直结构反射后，第二次经过所述部分反射部分透射面时部分透射至所述波导基底。在实际进行光学系统设计时，可基于光束顺序的需求来设计所述光线准直结构的位置，例如，可将光线准直结构设置在光束折叠结构的远离显示图像源的一侧，且与显示图像源的角度一致(也即光束折叠结构位于显示图像源与光线准直结构之间)，以使显示头像原发出的光束第一次经过所述部分反射部分透射面时能够部分透射至所述光线准直结构，在经过所述光线准直结构反射后，第二次经过所述部分反射部分透射面时能够部分反射至所述波导基底。
其中，所述光线准直结构用于对经过所述部分反射部分透射面进入的光束进行准直，并将准直后的光束反射出去，以使光束二次进入所述部分反射部分透射面。可选地，所述光线准直结构为以下任一项：至少一个反射镜、至少一个透射透镜、反射透射透镜组合。
在一些实施例中，所述增强现实显示系统还包括位于所述显示图像源与所述光束折叠结构之间的第一光学结构。其中，所述第一光学结构可为任何光学器件或多个光学器件的组合，例如，所述第一光学结构为一个透射透镜。在实际进行光学系统设计时，可基于需求来设计所述第一光学结构，以使所述显示图像源发出的光束经过所述第一光学结构进入所述光束折叠结构。
在一些实施例中，所述增强现实显示系统还包括位于所述光束折叠结构与所述光线准直结构之间的第二光学结构。其中，所述第二光学结构可为任何光学器件或多个光学器件的组合，例如，所述第二光学结构为一个透射透镜。在实际进行光学系统设计时，可基于需求来设计所述第二光学结构，以使光束第一次经过所述光束折叠结构后，经过所述第二光学结构进入所述光线准直结构进行准直，且使经过光线准直结构反射的光束经过所述第二光学结构第二次进入所述光束折叠结构。在一些实施例中，所述第二光学结构为1/4波片或45°相位延迟片，所述光束折叠结构具有偏振分光作用，其中，所述光束折叠结构可为任何具有偏振分光作用的光学结构，如PBS(polarization beam splitter，偏振分光棱镜)、线光栅、反射式偏振片等。在一些实施例中，来自所述显示图像源的光束第一次经所述部分反射部分透射面后变为第一状态的偏振光，所述第一状态的偏振光第一次经过所述第二光学结构后变为圆偏振光，经过所述光线准直结构反射，第二次经过所述第二光学结构后变为第二状态的偏振光；可选地，所述第一状态的偏振光为P光(即偏振在入射光线法线所成的平面内)，所述第二状态的偏振光为S光(即偏振与入射光线法线所成的平面垂直)。
其中，光束进入所述波导基底后，可在所述波导基底内部以全反射或者部分反射的方式传播以进入所述波导内反射面。可选地，所述波导基底为平面基底或曲面基底，本申请对所述波导内反射面的形状并不作限制。
其中，所述波导内反射面用于将所述波导基底内传输的光束耦合输出所述波导基底，进入人眼。可选地，所述波导内反射面为平面反射面或曲面反射面(如球面、自由曲面等)，本申请对所述波导内反射面的形状并不作限制。可选地，所述波导内反射面的反射率可以在5％～100％的范围内任意调节，所述波导内反射面的镀膜材料可以是金属或其他介质。在一些实施例中，所述波导内反射面包括多个反射面；可选地，所述多个反射面被排列为多排，进入所述波导内反射面的光束可通过每排反射面耦合输出到人眼，也即，每排反射面分别反射部分FOV到人眼，从而能够实现在人眼中拼接成一个较大的FOV。需要说明的是，所述多个反射面可采用任意排列方式，本申请对此并不作限制，也即，所述波导内反射面可能包括任意排，且每排可能包括任意数量的反射面，并且，本申请也不限制反射面的形状、个数及大小，在实际进行光学系统设计时，可基于实际需求来设计反射面的个数、各个反射面的大小以及排列方式。作为一个示例，所述波导内反射面仅包括1排，且1排有3个反射面；作为另一个示例，所述波导内反射面包括2排，第1排有4个反射面，第2排有5个反射面。需要说明的是，本申请中也并不限制各个反射面的孔径大小，如可能为0.5mm、1.1mm、1.5mm、1.7mm、2.4mm、 5mm等任意大小，且各个反射面的孔径可能相同也可能不同。
根据本申请的方案，通过利用反射折叠结构，使得AR显示系统的体积较小，从而能够实现紧凑眼镜式的AR显示系统，且可以有效增大外部视野透过率，提高AR显示系统中外部世界进入人眼的光线能量，透过率可达95％以上；此外，通过将波导内反射面设计为包括多排反射面，可实现较大FOV。
图1示出了本申请一个示例的AR显示系统的结构示意图。该AR 显示系统包括显示图像源101、光束折叠结构102、光线准直结构103、波导基底104和位于波导基底104内的波导内反射面105，其中，光束折叠结构102包括部分反射部分透射面102-1。其中，光束折叠结构102 位于显示图像源101与光线准直结构103之间，且显示图像源101与光线准直结构103平行放置。基于该AR显示系统的具体光路为：显示图像源101发出用于显示图像的光束，该光束进入光束折叠结构102且第一次经过部分反射部分透射面102-1，部分透射至光线准直结构103，经过光线准直结构103反射后，第二次经过部分反射部分透射面102-1，部分反射后进入波导基底104，在波导基底104中以全反射的方式发生传播，入射到波导内反射面105，耦合输出进入人眼。在该示例中，光束第一次经过102-1时部分透射，第二次经过102-1时部分反射。
图2示出了基于图1所示AR显示系统实现大FOV的原理示意图。基于图2可见，波导内反射面105中的反射面被排列为三排，分别记为如图2中所示的105-1、105-2、105-3，其中每排包括多个反射面，105-1、105-2、105-3分别反射部分FOV到人眼中，从而能够最终在人眼中拼接成一个较大的FOV。
图3示出了图1中所示的波导内反射面的排列方式的示意图。由图 3可见，波导内反射面105中的反射面被排列为三排，第一排(即图2 所示的105-1)中包括8个反射面，第二排(即图2所示的105-2)中包括9个反射面，第三排(即图2所示的105-3)中包括8个反射面。
图4示出了本申请另一个示例的AR显示系统的结构示意图。该AR 显示系统包括显示图像源201、光束折叠结构202、光线准直结构203、波导基底204和位于波导基底204内的波导内反射面205，其中，光束折叠结构202包括部分反射部分透射面202-1。其中，光束折叠结构202 位于光束折叠结构202的远离波导基底204的一侧，且显示图像源201 与光线准直结构203之间的角度为90°。基于该AR显示系统的具体光路为：显示图像源201发出用于显示图像的光束，该光束进入光束折叠结构202且第一次经过部分反射部分透射面202-1，部分反射至光线准直结构203，经过光线准直结构203反射后，第二次经过部分反射部分透射面202-1，部分透射后进入波导基底204，在波导基底204中以全反射的方式发生传播，入射到波导内反射面205，耦合输出进入人眼。在该示例中，光束第一次经过202-1时部分反射，第二次经过202-1时部分透射。
图5示出了本申请另一个示例的AR显示系统的结构示意图。该AR 显示系统包括显示图像源301、光束折叠结构302、光线准直结构303、波导基底304、位于波导基底304内的波导内反射面305、第二光学结构306，其中，光束折叠结构302为PBS，光束折叠结构302包括部分反射部分透射面302-1，第二光学结构306为1/4波片或者45°相位延迟片，第二光学结构306位于光束折叠结构302与光线准直结构303之间。基于该AR显示系统的具体光路为：显示图像源301发出用于显示图像的光束，该光束进入光束折叠结构302且第一次经过部分反射部分透射面302-1，部分透射出第一状态的偏振光，之后第一次经过第二光学结构306后变为圆偏振光，经过光线准直结构303反射后，第二次经过第二光学结构306后变为第二状态的偏振光，之后第二次经过部分反射部分透射面302-1，部分反射后进入波导基底304，以全反射方式传播进入波导内反射面305，之后耦合输出到人眼。
图6示出了本申请另一个示例的AR显示系统的结构示意图。该AR 显示系统包括显示图像源401、光束折叠结构402、光线准直结构403、波导基底404、位于波导基底404内的波导内反射面405、第一光学结构406和第二光学结构407，其中，光束折叠结构102包括部分反射部分透射面402-1，第一光学结构406位于显示图像源401和光束折叠结构402之间，第二光学结构407位于光束折叠结构403和光线准直结构 403之间。需要说明的是，图6中的第一光学结构406和第二光学结构 407仅为示意，第一光学结构406和第二光学结构407可能为任意的光学结构。需要说明的是，图6所示AR显示系统中仅是示意性地示出了各个部分，如示意地表示第二光学结构407位于光束折叠结构403和光线准直结构403之间，而在实际结构中，光束折叠结构403和第二光学结构407可能是直接接触的，第二光学结构407与光线准直结构403也可能是直接接触的。
需要说明的是，尽管上文中用结构特征专用的语言描述了本申请的主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述具体特征。更确切而言，上述具体特征是作为实现权利要求的示例形式公开的。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
虽然前面特别示出并且描述了示例性实施例，但是本领域技术人员将会理解的是，在不背离权利要求书的精神和范围的情况下，在其形式和细节方面可以有所变化。这里所寻求的保护在所附权利要求书中做了阐述。在下列编号条款中规定了各个实施例的这些和其他方面：
1.一种增强现实显示系统，包括显示图像源、光束折叠结构、光线准直结构、波导基底以及位于所述波导基底内的波导内反射面，所述光束折叠结构包括部分反射部分透射面；
其中，所述部分反射部分透射面用于将来自所述显示图像源的光束传输至所述光线准直结构以及将经过所述光线准直结构反射的光束传输至所述波导基底，所述光线准直结构用于对光束进行准直并反射至所述部分反射部分透射面，所述波导基底用于对光束进行反射传播使其进入所述波导内反射面，所述波导内反射面用于将光束耦合输出至人眼。
2.根据条款1所述的增强现实显示系统，其中，所述部分反射部分透射面用于将来自所述显示图像源的光束部分透射至所述光线准直结构，以及将经过所述光线准直结构反射的光束部分反射至所述波导基底。
3.根据条款1所述的增强现实显示系统，其中，所述部分反射部分透射面用于将来自所述显示图像源的光束部分反射至所述光线准直结构，以及将经过所述光线准直结构反射的光束部分透射至所述波导基底。
4.根据条款1所述的增强现实显示系统，其中，所述增强现实显示系统还包括位于所述显示图像源与所述光束折叠结构之间的第一光学结构。
5.根据条款1所述的增强现实显示系统，其中，所述增强现实显示系统还包括位于所述光束折叠结构与所述光线准直结构之间的第二光学结构。
6.根据条款5所述的增强现实显示系统，其中，所述第二光学结构为1/4波片或45°相位延迟片，所述光束折叠结构具有偏振分光作用。
7.根据条款6所述的增强现实显示系统，其中，所述光束折叠结构为以下任一项：PBS、线光栅、反射式偏振片。
8.根据条款6或7所述的增强现实显示系统，其中，来自所述显示图像源的光束第一次经所述部分反射部分透射面后变为第一状态的偏振光，所述第一状态的偏振光第一次经过所述第二光学结构后变为圆偏振光，经过所述光线准直结构反射，第二次经过所述第二光学结构后变为第二状态的偏振光。
9.根据条款8所述的增强现实显示系统，其中，所述第一状态的偏振光为P光，所述第二状态的偏振光为S光。
10.根据条款1至9中任一项所述的增强现实显示系统，其中，所述波导内反射面包括多个反射面。
11.根据条款1至10中任一项所述的增强现实显示系统，其中，所述光线准直结构为以下任一项：至少一个反射镜、至少一个透射透镜、反射透射透镜组合。
12.根据条款1至11中任一项所述的增强现实显示系统，其中，所述波导内反射面为平面反射面或曲面反射面。
Claims (10)
1.一种增强现实显示系统，包括显示图像源、光束折叠结构、光线准直结构、波导基底以及位于所述波导基底内的波导内反射面，所述光束折叠结构包括部分反射部分透射面；
其中，所述部分反射部分透射面用于将来自所述显示图像源的光束传输至所述光线准直结构以及将经过所述光线准直结构反射的光束传输至所述波导基底，所述光线准直结构用于对光束进行准直并反射至所述部分反射部分透射面，所述波导基底用于对光束进行反射传播使其进入所述波导内反射面，所述波导内反射面用于将光束耦合输出至人眼。
2.根据权利要求1所述的增强现实显示系统，其中，所述部分反射部分透射面用于将来自所述显示图像源的光束部分透射至所述光线准直结构，以及将经过所述光线准直结构反射的光束部分反射至所述波导基底。
3.根据权利要求1所述的增强现实显示系统，其中，所述部分反射部分透射面用于将来自所述显示图像源的光束部分反射至所述光线准直结构，以及将经过所述光线准直结构反射的光束部分透射至所述波导基底。
4.根据权利要求1所述的增强现实显示系统，其中，所述增强现实显示系统还包括位于所述显示图像源与所述光束折叠结构之间的第一光学结构。
5.根据权利要求1所述的增强现实显示系统，其中，所述增强现实显示系统还包括位于所述光束折叠结构与所述光线准直结构之间的第二光学结构。
6.根据权利要求5所述的增强现实显示系统，其中，所述第二光学结构为1/4波片或45°相位延迟片，所述光束折叠结构具有偏振分光作用。
7.根据权利要求6所述的增强现实显示系统，其中，来自所述显示图像源的光束第一次经所述部分反射部分透射面后变为第一状态的偏振光，所述第一状态的偏振光第一次经过所述第二光学结构后变为圆偏振光，经过所述光线准直结构反射，第二次经过所述第二光学结构后变为第二状态的偏振光。
8.根据权利要求7所述的增强现实显示系统，其中，所述第一状态的偏振光为P光，所述第二状态的偏振光为S光。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的增强现实显示系统，其中，所述波导内反射面包括多个反射面。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的增强现实显示系统，其中，所述光线准直结构为以下任一项：至少一个反射镜、至少一个透射透镜、反射透射透镜组合。
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| CN201911202085.0A CN112882229A (zh) | 2019-11-29 | 2019-11-29 | 一种增强现实显示系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
ID=76038646
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911202085.0A Pending CN112882229A (zh) | 2019-11-29 | 2019-11-29 | 一种增强现实显示系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112882229A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI796878B (zh) * | 2021-12-17 | 2023-03-21 | 宏碁股份有限公司 | 擴增實境顯示裝置 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018233293A1 (zh) * | 2017-06-23 | 2018-12-27 | 芋头科技（杭州）有限公司 | 一种成像显示系统 |
-
2019
- 2019-11-29 CN CN201911202085.0A patent/CN112882229A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018233293A1 (zh) * | 2017-06-23 | 2018-12-27 | 芋头科技（杭州）有限公司 | 一种成像显示系统 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI796878B (zh) * | 2021-12-17 | 2023-03-21 | 宏碁股份有限公司 | 擴增實境顯示裝置 |
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| PB01 | Publication | ||
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