一种双焦面AR光学系统及AR显示设备的制作方法

一种双焦面ar光学系统及ar显示设备
技术领域
1.本发明实施例涉及ar技术，尤其涉及一种双焦面ar光学系统及ar显示设备。


背景技术：

2.对于增强现实系统，大视场能让一定距离内显示的虚像区域更大，充分增加使用者的沉浸感。
3.现有技术中，常规的ar光学系统的单个虚像都有其固定的虚像距，而外界的实物的距离不确定，虚像与实物不在一个焦平面上，容易出现当观察显示虚画面是清晰的，但附近的实物是模糊的，当观察实物是清晰的时候，显示的画面是模糊的，难以获得良好的虚实融合体验，即虚像和实物距离人眼的距离不同，人眼需不断的调节焦距使得观察实物是清晰的，同时显示的画面也是清晰，这样会导致人眼不断调焦，如此增加人的眩晕感，导致辐辏聚焦矛盾。


技术实现要素：

4.本发明提供一种双焦面ar光学系统及ar显示设备，以缓解人的眩晕感，解决辐辏聚焦矛盾。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种双焦面ar光学系统，该双焦面ar光学系统包括：第一微显示器、第二微显示器、偏振单元、放大透镜组及成像镜组；
6.所述第一微显示器的出光面与所述第二微显示器的出光面垂直；
7.所述第一微显示器用于出射第一显示图像的图像光束；
8.所述第二微显示器用于出射第二显示图像的图像光束；
9.所述偏振单元用于将所述第一显示图像的图像光束中第一偏振态光线传输至所述放大透镜组，并将所述第二显示图像的图像光束中第二偏振态光线传输至所述放大透镜组；
10.所述放大透镜组用于放大所述第一偏振态光线，并将放大的所述第一偏振态光线作为第一成像光束入射至所述成像镜组内，以及放大所述第二偏振态光线；并将放大的所述第二偏振态光线作为第二成像光束入射至所述成像镜组内；
11.所述成像镜组用于透射所述第一成像光束以在观测位置形成第一虚拟图像，以及透射所述第二成像光束以在观测位置形成第二虚拟图像；
12.所述成像镜组还用于透射外界光线以在观测位置形成实物图像；
13.其中，所述放大透镜组与所述第一微显示器的垂直距离可调。
14.可选的，还包括变焦单元：
15.所述变焦单元用于带动所述放大透镜组运动，以调节所述放大透镜组与所述第一微显示器之间的垂直距离。
16.可选的，所述成像镜组包括平面反射镜组及曲面反射镜组；
17.所述平面反射镜组用于将所述放大透镜组出射的所述第一成像光束和所述第二
成像光束反射至所述曲面反射镜组；
18.所述曲面反射镜组用于反射所述第一成像光束和所述第二成像光束至所述平面反射镜组，以使所述第一成像光束和所述第二成像光束透过所述平面反射镜组到达观测位置，分别形成所述第一虚拟图像和所述第二虚拟图像；
19.所述曲面反射镜组还用于透射外界光线到达观测位置形成实物图像。
20.可选的，所述曲面反射镜组的光轴与所述平面反射镜组的透射面的夹角可调；
21.其中，所述曲面反射镜组的光轴与所述平面反射镜组的透射面的夹角θ满足：35
°
≤θ≤45
°
。
22.可选的，所述曲面反射镜组的中心与所述平面反射镜组的中心之间的垂直距离l可调；
23.其中，l满足：10mm≤l≤20mm。
24.可选的，所述成像镜组的光轴与所述放大透镜组的光轴垂直；
25.所双焦面ar光学系统还包括：反射片；
26.所述反射片用于将所述放大透镜组出射的所述第一成像光束和所述第二成像光束反射至所述成像镜组。
27.可选的，所述反射片与所述第一微显示器的出光面的夹角可调；
28.所述反射片与所述第一微显示器的出光面的夹角α满足：30
°
≤α≤60
°
。
29.可选的，所述放大透镜组包括沿光路依次设置的第一非球面透镜、第二非球面透镜、第三非球面透镜和第四非球面透镜。
30.可选的，所述第一非球面透镜的焦距f1、所述第二非球面透镜的焦距f2、所述第三非球面透镜的焦距f3和所述第四非球面透镜的焦距f4满足：-10mm≤f1/f2/f3/f4≤30mm。
31.第二方面，本发明实施例还提供了一种ar显示设备，该ar显示设备包括上述第一方面所述的双焦面ar光学系统。
32.本发明实施例，当观测位置观测远近不同的实物图像时，通过调节放大透镜组与第一微显示器的垂直距离，整个双焦面ar光学系统的焦距变化，第一虚拟图像由清晰显示到模糊显示，对应第二虚拟图像由模糊显示到清晰显示，这样各虚拟图像的清晰图像根据观测位置需观测的远近不同的实物图像的需求可以相互切换，满足各清晰图像的虚拟图像对应的虚像距与远近不同的实物图像的实物距相同，各清晰图像的虚拟图像与远近不同的实物图像在同一焦面上，避免了人眼不断调焦，解决辐辏聚焦矛盾，缓解了人眼的眩晕感，并同时通过虚拟图像与实物图像的结合增强了虚实融合的体验感。解决了现有技术单个虚拟图像本身无层次感，导致人眼不断调焦使得单一虚拟图像与远近不同的实物图像均变清晰实现虚实融合，如此增加人眼的眩晕感。
附图说明
33.图1是本发明实施例提供的一种双焦面ar光学系统的结构示意图；
34.图2是本发明实施例提供的各虚像面的结构示意图；
35.图3是本发明实施例提供的另一种双焦面ar光学系统的结构示意图；
36.图4是本发明实施例提供的另一种双焦面ar光学系统的结构示意图；
37.图5是图4中的一种双焦面ar光学系统的侧视结构示意图；
38.图6是本发明实施例提供的另一种双焦面ar光学系统的结构示意图；
39.图7是图6中一种双焦面ar光学系统的侧视结构示意图；
40.图8是本发明实施例提供的另一种双焦面ar光学系统的结构示意图；
41.图9是本技术实施例提供的一种ar显示设备的结构示意图。
具体实施方式
42.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
43.图1是本发明实施例提供的一种双焦面ar光学系统的结构示意图，如图1所示，该双焦面ar光学系统包括第一微显示器10、第二微显示器20、偏振单元30、放大透镜组40及成像镜组50；第一微显示器10的出光面与第二微显示器20的出光面垂直；第一微显示器10用于出射第一显示图像的图像光束；第二微显示器20用于出射第二显示图像的图像光束；偏振单元30用于将第一显示图像的图像光束中第一偏振态光线传输至放大透镜组40，并将第二显示图像的图像光束中第二偏振态光线传输至放大透镜组40；放大透镜组40用于放大第一偏振态光线，并将放大的第一偏振态光线作为第一成像光束入射至成像镜组50内，以及放大第二偏振态光线；并将放大的第二偏振态光线作为第二成像光束入射至成像镜组50内；成像镜组50用于透射第一成像光束以在观测位置形成第一虚拟图像，以及透射第二成像光束以在观测位置形成第二虚拟图像；成像镜组50还用于透射外界光线以在观测位置形成实物图像；其中，放大透镜组40与第一微显示器10的垂直距离可调。
44.其中，第一微显示器10及第二微显示器20均可以采用有机发光二极管(organic light-emitting diode，oled)显示面板、矩阵液晶(liguid crystal on silicon，lcos)显示面板、数字光处理(digital light processing，dlp)显示器等。第一微显示器10及第二微显示器20作为两个不同的图像源，出射不同图像源的图像光束。第一微显示器10及第二微显示器20的分辨率均大于1920p，以提高整个双焦面ar光学系统的分辨率。
45.偏振单元30具有选择光线偏振态的作用。第一微显示器10及第二微显示器20出射的图像光束中包括第一偏振态的光线和第二偏振态的光线，例如第一偏振态的光线为p光，第二偏振态的光线为s光；第一偏振态的光线p光与第二偏振态的光线s光垂直。偏振单元30与第一微显示器10的出光面的夹角为45
°
；第一微显示器10的出光面与第二微显示器20的出光面垂直，如此第一微显示器10出射的图像光束的第一偏振态光线p光透过偏振单元30，并传输至放大透镜组40；第二微显示器20出射的图像光束的第二偏振态光线s光在偏振单元30上反射，并传输至放大透镜组40。
46.放大透射镜组40可以包括多个透镜的组合，或者多种类型透镜的组合；各种透镜组合的放大透镜组40的焦距在合适的范围内，这样可以将第一微显示器10出射的图像光束的第一偏振态光线和第二微显示器20出射的图像光束的第二偏振态的光线放大，并将各光线汇聚。
47.成像镜组50可以将放大透镜组40输出的第一成像光束和第二成像光束透射以在观测位置分别形成第一虚拟图像和第二虚拟图像；成像镜组50还透射外界光线以在观测位置形成实物图像；这样各虚拟图像与实物图像结合增强了虚实融合的体验感.
48.需说明的是，图2是本发明实施例提供的各虚像面的结构示意图；如图2所示，第一微显示器10在观测位置处的第一虚拟图像对应虚像面l1,第二微显示器20在观测位置处的第二虚拟图像对应虚像面l2；其中，虚像距指的是人眼与各虚像面的距离。由于第一微显示器10距离放大透镜组40的光程小于第二微显示器20距离放大透镜组40的光程，第一微显示器10在观测位置处的第一虚拟图像的虚像距小于第二微显示器20在观测位置处的第二虚拟图像的虚像距。
49.本技术方案，当观测位置观测远近不同的实物图像时，通过调节放大透镜组40与第一微显示器10的垂直距离，使得整个双焦面ar光学系统的焦距变化，由于双焦面ar光学系统的系统焦距与各虚拟图像的虚像距有关，从而使得各虚拟图像的虚像距的不同，从而使得人眼对焦到不同的微显示器上；具体的，当观测位置观测近实物时，调节放大透镜组40远离第一微显示器10以达到第一虚拟图像的虚像距，人眼聚焦到第一微显示器10上，第一虚拟图像清晰，第二虚拟图像模糊；当观测位置观测远处实物时，调节放大透镜组40靠近第一微显示器10以达到第二虚拟图像的虚像距，人眼聚焦到第二微显示器20上，第二虚拟图像清晰，第一虚拟图像模糊；这样各虚拟图像的清晰图像根据观测位置需观测的远近不同的实物图像的需求可以相互切换，满足各清晰图像的虚拟图像对应的虚像距与远近不同的实物图像的实物距相同，各清晰图像的虚拟图像与远近不同的实物图像在同一焦面上，避免了人眼不断调焦，解决辐辏聚焦矛盾，缓解了人眼的眩晕感。
50.可选的，图3是本发明实施例提供的另一种双焦面ar光学系统的结构示意图，如图3所示，该双焦面ar光学系统还包括变焦单元60：变焦单元60用于带动放大透镜组40运动，以调节放大透镜组40与第一微显示器10之间的垂直距离。
51.其中，变焦单元60可以根据人眼追踪系统追踪的观测位置处人眼观测的远近不同的实物图像的需求，快速带动放大透镜组40运动，从而快速调节放大透镜组40与第一微显示器10之间的垂直距离，使得系统的焦距改变，从而达到各虚拟图像的虚像距，使得人眼对焦到相应的微显示器上，满足各清晰图像的虚拟图像对应的虚像距与远近不同的实物图像的实物距相同，避免了人眼不断调焦，缓解了人眼的眩晕感。同时由于变焦单元60的响应速度足够快，示例性的，在0.2s内，进一步避免了因人眼对焦速度过慢导致的人眼的眩晕感。
52.可选的，图4是本发明实施例提供的另一种双焦面ar光学系统的结构示意图，如图4所示，成像镜组50包括平面反射镜组51及曲面反射镜组52；平面反射镜组51用于将放大透镜组40出射的第一成像光束和第二成像光束反射至曲面反射镜组52；曲面反射镜组52用于反射第一成像光束和第二成像光束至平面反射镜组51，以使第一成像光束和第二成像光束透过平面反射镜组51到达观测位置，分别形成第一虚拟图像和第二虚拟图像；曲面反射镜组52还用于透射外界光线到达观测位置形成实物图像。
53.其中，平面反射镜组51中包括半透半反膜；曲面反射镜组52可以为半透半反镜；放大透镜组40内出射的第一成像光束和第二成像光束经过平面反射镜组51的反射及曲面反射镜组52的反射，并经过曲面反射镜组52的透射在观测位置处形成第一虚拟图像和第二虚拟图像；曲面反射镜组52还透射外界光线到达观测位置形成实物图像，这样各虚拟图像与实物图像相结合形成ar功能。
54.可选的，图5是图4中的一种双焦面ar光学系统的侧视结构示意图；参照图5，曲面反射镜组52的光轴h与平面反射镜组51的透射面的夹角θ可调；其中，曲面反射镜组52的光
轴h与平面反射镜组51的透射面的夹角θ满足：35
°
≤θ≤45
°
。
55.其中，平面反射镜组51靠近曲面反射镜组52的一侧的第一表面镀有半透半反膜；其第二表面作为透射面；通过将平面反射镜组50的透射面与第二光轴h的夹角θ调整在该范围内，可以满足双焦面ar光学系统的大视场、大出瞳直径的效果。优选的，整个双焦面ar光学系统的视场角β可以达到≥65
°
，出瞳直径d可以达到大于10mm。
56.可选的，继续参照图5，曲面反射镜组52的中心与平面反射镜组51的中心之间的垂直距离l可调；其中，l满足：10mm≤l≤20mm。
57.其中，将曲面反射镜组52的中心与平面反射镜组51的中心之间的垂直距离l在该范围内调节，图5中示意出曲面反射镜组52移动至曲面反射镜组52’的位置，如此整个ar光学系统的视场角β明显增大、出瞳直径d相应增大。优选的，整个ar光学系统的视场角β可以达到≥65
°
，出瞳直径d可以达到大于10mm。
58.可选的，图6是本发明实施例提供的另一种双焦面ar光学系统的结构示意图，图7是图6中一种双焦面ar光学系统的侧视结构示意图；如图6和7所示，成像镜组50的光轴与放大透镜组40的光轴垂直；双焦面ar光学系统还包括反射片70；反射片70用于将放大透镜组40出射的第一成像光束和第二成像光束反射至成像镜组50。其中，双焦面ar光学系统内增加反射片70，使得整个ar光学系统的光学器件紧凑设置，如此降低了整个双焦面ar光学系统的体积，实现了双焦面ar光学系统的轻便化设计。
59.可选的，图8是本发明实施例提供的另一种双焦面ar光学系统的结构示意图；如图8所示，反射片70与第一微显示器10的出光面的夹角α可调；反射片70与第一微显示器10的出光面的夹角α满足：30
°
≤α≤60
°
。
60.其中，反射片70与第一微显示器10的出光面的夹角α在该范围内调节，相应地放大透镜组40、偏振单元30、第二微显示器20及第一微显示器10需相应调整位置和角度，如此各光学模块实现了紧凑的结构设计，减少了整个双焦面ar光学系统的体积。
61.可选的，参照图8，放大透镜组40包括沿光路依次设置的第一非球面透镜41、第二非球面透镜42、第三非球面透镜43和第四非球面透镜44。其中，各透镜表面为非球面设计，能有效地减小光学系统的轴外像差。
62.可选的，参照图8，第一非球面透镜的焦距f1、第二非球面透镜的焦距f2、第三非球面透镜的焦距f3和第四非球面透镜的焦距f4满足：-10mm≤f1/f2/f3/f4≤30mm，如此设置合适的焦距比值使得放大透镜组40可以将第一偏振态光线和第二偏振态光线进一步放大，以满足用户更好的ar体验。其中，第一非球面透镜41、第二非球面透镜42、第三非球面透镜43和第四非球面透镜44可以采用高折射率、低阿贝数和低折射率、高阿贝数的材料间的相互配合，以实现光学系统的低色散效果。
63.基于同样的发明构思，本技术实施例还提供了一种ar显示设备，包括上述任一实施例所述的ar光学系统；示例性的，图9是本技术实施例提供的一种ar显示设备的结构示意图，如图9所示，ar显示设备1000包括上述实施例中的增强现实显示系统100，因此本实施例提供的ar显示设备1000也具备上述实施例所描述的有益效果，此处不再赘述。示例性的，ar显示装置例如可以为ar眼镜，可以理解的是，ar眼镜还包括一些具有连接、固定、装配、佩戴该ar显示系统100的元件，在此不做限定。
64.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，
本发明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、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。