一种增强现实显示系统的制作方法

1.本实用新型实施例涉及增强显示技术领域，尤其涉及一种增强现实显示系统。


背景技术：

2.近年来，增强现实(augmented reality，简称ar)显示装置快速发展，由于该系统属于头戴系统，因此它必须结构紧凑和轻量化，以增强使用者的舒适度。对于增强现实显示装置，大视场非常重要，大视场可以增加使用者的沉浸感，使观察者能最大程度的观察优质的动态图像。紧凑和轻量化的结构可以极大的增强佩戴者的舒适感，合适的出瞳距可以使观察者佩戴其他目视系统(如近视镜) 进行使用，增加了系统对佩戴者的适用范围。但是，光学系统的视场、出瞳距、大出瞳直径、短焦距等结构参数互相制约，同时满足上述条件存在相当大的困难。
3.现有的增强显示显示装置存在视场较小、出瞳距较短、出瞳直径较小、短焦距、成像不清晰等问题，影响增强显示装置的将真实物体和虚拟物体结合成像性能，用户体验感较差。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例提供了一种增强现实显示系统，以在增强显示装置紧凑和轻量化的基础上，解决视场小、出瞳距短、出瞳直径小、短焦距的技术问题。
5.第一方面，本实用新型实施例提供了一种增强现实显示系统，包括分光单元、曲面反射单元、透镜组和显示器；
6.所述显示器用于出射第一显示光束；
7.所述透镜组包括多个透镜，多个所述透镜中包括负焦距透镜和正焦距透镜；所述透镜组的组合焦距为f1，10mm≤|f1|≤35mm；所述透镜组位于所述第一显示光束的传播路径上，用于聚焦所述第一显示光束形成第一聚焦光束；
8.所述分光单元位于所述第一聚焦光束的传播路径上，用于对所述第一聚焦光束进行分光形成第一分光光束和第二分光光束；所述第一分光光束从所述分光单元透射，所述第二分光光束被所述分光单元反射；
9.所述曲面反射单元位于所述第二分光光束的传播路径上，用于汇聚并反射所述第二分光光束形成反射光束；所述分光单元还位于所述反射光束的路径上，用于调整所述反射光束形成线偏振光后进入用户眼睛形成虚拟图像；
10.自然光依次经过所述曲面反射单元和所述分光单元进入用户眼睛形成实物图像。
11.可选的，所述透镜组还包括反射镜；
12.所述反射镜用于改变所述第一显示光束的传播方向。
13.可选的，所述分光单元包括四分之一波片、偏振反射膜层和分光镜主体，所述分光镜主体包括第一分光面和第二分光面；
14.所述偏振反射膜层位于所述第一分光面的一侧，所述四分之一波片位于所述偏振
反射膜层远离所述第一分光面的一侧；所述第二分光面镀有增透膜；或，所述第一分光面镀有增透膜；所述四分之一波片位于所述第二分光面的一侧，所述偏振反射膜层位于所述四分之一波片远离所述第二分光面的一侧。
15.可选的，所述偏振反射膜的光轴方向与所述四分之一波片的光轴方向的夹角为45
°
或135
°
。
16.可选的，所述曲面反射单元包括第一曲面和第二曲面；
17.所述第一曲面镀有增透膜，所述第二曲面镀有分光膜；
18.或，所述第一曲面镀有分光膜，所述第二曲面镀有增透膜。
19.可选的，所述曲面反射单元的中心的切面与所述分光单元所在平面的夹角为α，30
°
≤α≤60
°
。
20.可选的，所述曲面反射单元相对所述反射光束的焦距为f2，
21.20mm≤|f2|≤35mm；
22.所述曲面反射单元相对所述自然光的焦距为f3，|f3|≥500mm。
23.可选的，所述曲面反射单元的厚度为h1，1mm≤h1≤5mm。
24.可选的，所述分光单元的厚度为h2，0.3mm≤h2≤2mm。
25.可选的，所述第一显示光束包括自然光、线偏振光和椭圆偏振光中的至少一种。
26.实用新型实施例提供的增强现实显示系统，通过合理设置系统包括分光单元、曲面反射单元、透镜组和显示器，设置透镜组包括多个透镜，多个透镜中包括负焦距透镜和正焦距透镜，调整透镜组的焦距f1满足10≤|f1|≤35mm，可有效减小系统的焦距，在满足系统的视觉成像效果的情况下，提高系统紧凑度；其中，透镜组聚焦显示器出射的第一显示光束形成第一聚焦光束；分光单元对第一聚焦光束进行分光形成第一分光光束和第二分光光束；第一分光光束从分光单元透射，第二分光光束被分光单元反射，曲面反射单元平行汇聚并反射第二分光光束形成反射光束；分光单元进一步调整反射光束形成线偏振光后进入用户眼睛形成虚拟图像，提高视觉成像效果；自然光依次经过曲面反射单元和分光单元进入用户眼睛形成实物图像，本实用新型提供的增强现实显示系统焦距短、结构紧凑，虚拟图像和实物图像叠加可以达到增强现实的效果，提高了用户的视觉体验感。
附图说明
27.图1为本实用新型实施例提供的一种增强现实显示系统的结构示意图；
28.图2为本实用新型实施例提供的又一种增强现实显示系统的结构示意图；
29.图3为本实用新型实施例提供的一种分光单元的结构示意图；
30.图4为本实用新型实施例提供的又一种分光单元的结构示意图。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本实用新型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实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
32.图1为本实用新型实施例提供的一种增强现实显示系统的结构示意图。如图1所示，增强现实显示系统包括分光单元1、曲面反射单元2、透镜组3和显示器4；显示器4用于出
射第一显示光束；透镜组3包括多个透镜，多个透镜中包括负焦距透镜和正焦距透镜；透镜组3的组合焦距为f1，10mm≤|f1|≤ 35mm；透镜组3位于第一显示光束a的传播路径上，用于聚焦第一显示光束a 形成第一聚焦光束b；分光单元1位于第一聚焦光束b的传播路径上，用于对第一聚焦光束b进行分光形成第一分光光束b1和第二分光光束b2；第一分光光束b1从分光单元1透射，第二分光光束b2被分光单元1反射；曲面反射单元2位于第二分光光束b2的传播路径上，用于汇聚并反射第二分光光束b2形成反射光束；分光单元2还位于反射光束的路径上，用于调整反射光束形成线偏振光后进入用户眼睛形成虚拟图像；自然光c依次经过曲面反射单元2和分光单元1进入用户眼睛形成实物图像。
33.示例性的，如图1所示，增强现实显示系统包括分光单元1、曲面反射单元2、透镜组3和显示器4。显示器4出射第一显示光束a，用于用户眼睛虚拟成像。例如，显示器4可以选用硅基液晶(liquid crystal on silicon，lcos)、有机发光二极管(organic light-emitting diode，oled)、数字光处理显示 (digital light processing，dlp)、液晶面板(liquid crystal display，lcd)等显示器，尺寸在0.1英寸到2英寸之间，分辨率大于720p。设置透镜组3包括多个透镜，对第一显示光束a聚焦形成第一聚焦光束b，设置多个透镜中至少包括一个负焦距透镜和一个正焦距透镜，使得透镜组3的组合焦距为f1满足10mm ≤|f1|≤35mm，通过控制透镜组3的组合焦距f1，一方面汇聚第一显示光束a，提高光的能量利用率；另一方面，透镜组3与分光单元1和曲面反射单元2组合，有效增大控制系统的视场、出瞳距、出瞳直径、焦距等，其中，经过实际测试，该系统的视场可以大于或者等于60
°
，出瞳距可以大于或者等于18mm，出瞳直径可以大于或者等于6mm，和现有产品相比，系统结构更紧凑成像效果更优越。
34.具体的，分光单元1包括分光镜，实现对第一聚焦光束b的分光。经透镜组3聚焦后的第一聚焦光束到达分光单元1，分光单元1将第一聚焦光束b进行分光形成偏振方向不同的第一分光光束b1和第二分光光束b2，例如，第一分光光束b1可以为p-偏振光，第二分光光束b2可以为s-偏振光。其中，偏振方向，即此时的振动方向与传播方向不一致时的方向，当光线以非垂直角度穿透光学元件(如分光镜)的表面时，反射和透射特性均依赖于偏振现象，这种情况下，使用的坐标系是用含有输入和反射光束的那个平面定义，如果光线的偏振矢量在这个平面内，则称为p-偏振，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为 s-偏振，p-偏振和s-偏振的偏振方向互相垂直，任何一种输入偏振状态都可以表示为s和p分量的矢量和。设定分光单元1，使得第一分光光束b1从分光单元1透射，第二分光光束b2被分光单元1反射，即p-偏振光透射，s-偏振光反射。设置曲面反射单元2位于第二分光光束b2的传播路径上，曲面反射单元2 可以采用球面凹面镜，提高汇聚光束的能力。当第二分光光束b2到达曲面反射单元2，反射单元2一方面用于平行汇聚并反射第二分光光束b2，另一方面用于透射自然光。当第二分光光束b2被平行汇聚并反射形成反射光束，曲面反射单元2改变了第二分光光束b2的传播方向和分布方向，当反射光束到达分光单元1时被调整形成线偏振光后入用户眼睛形成虚拟图像，其中，在光的传播方向上，光矢量只沿一个固定的方向振动，这种光称为平面偏振光，由于光矢量端点的轨迹为一直线，又叫做线偏振光，线偏振光可有效提高虚拟图像的视觉成像效果；同时，自然光c依次经过曲面反射单元2和分光单元1进入用户眼睛形成实物图像，虚拟图像和实物图像的叠加到达增强现实的效果。
35.综上，本实用新型实施例提供的增强现实显示系统，通过合理设置系统的分光单
元、曲面反射单元、透镜组和显示器，设置透镜组包括多个透镜，多个透镜中包括负焦距透镜和正焦距透镜，调整透镜组的焦距f1满足10≤|f1|≤35mm，可有效减小系统的焦距，在满足系统的视觉成像效果的情况下，提高系统紧凑度；其中，透镜组聚焦显示器出射的第一显示光束形成第一聚焦光束；分光单元对第一聚焦光束进行分光形成第一分光光束和第二分光光束；第一分光光束从分光单元透射，第二分光光束被分光单元反射，曲面反射单元平行汇聚并反射第二分光光束形成反射光束；分光单元还调整反射光束形成线偏振光后进入用户眼睛形成虚拟图像，线偏振光可有效提高虚拟图像的视觉成像效果；自然光依次经过曲面反射单元和分光单元进入用户眼睛形成实物图像，本实用新型提供的增强现实显示系统焦距短、结构紧凑，虚拟图像和实物图像叠加可以达到增强现实的效果，提高了用户的视觉体验感。
36.图2为本实用新型实施例提供的又一种增强现实显示系统的结构示意图。如图2所示，可选的，透镜组3还包括反射镜31；反射镜31用于改变第一显示光束的传播方向。
37.示例性的，如图2所示，设置透镜组3内包括至少一个反射镜31，通过调整反射镜31的数量和位置改变显示器4出射的第一显示光束的传播方向，改变透镜3和显示器4位置，可以减小系统的体积，使得整个系统结构紧凑。
38.可选的，第一显示光束包括自然光、线偏振光和椭圆偏振光中的至少一种。其中，自然光又称“天然光”，不直接显示偏振现象的，它包括了垂直于光波传播方向的所有可能的振动方向，所以不显示出偏振性，从普通光源直接发出的天然光是无数偏振光的无规则集合，所以直接观察时不能发现光强偏于哪一个方向，这种沿着各个方向振动的光波强度都相同的光叫做自然光，光又称“可见光”。在光的传播方向上，光矢量只沿一个固定的方向振动，这种光称为平面偏振光，由于光矢量端点的轨迹为一直线，又叫做线偏振光。圆的偏振光是指光的电场方向或光矢量末端在垂直于传播方向的平面上描绘出的轨迹，当两个相互垂直的振动同时作用于一点时，若它们的频率相同并且有固定的位相差，则该点的合成振动的轨迹一般呈椭圆形，即形成椭圆偏振光。通过设定显示器4，可以选择不同的显示器4使得出射的自然光、线偏振光和椭圆偏振光中的至少一种最终以线偏振光的形式入射到用户眼睛形成虚拟图像。
39.图3为本实用新型实施例提供的一种分光单元的结构示意图；图4为本实用新型实施例提供的又一种分光单元的结构示意图。如图3和图4所示，可选的，分光单元1包括四分之一波片11、偏振反射膜层12和分光镜主体13。分光镜主体13包括第一分光面131和第二分光面132；偏振反射膜层12位于第一分光面131的一侧，四分之一波片11位于偏振反射膜层12远离第一分光面 131的一侧；第二分光面131镀有增透膜；或，第一分光面131镀有增透膜；四分之一波片11位于第二分光面132的一侧，偏振反射膜层12位于四分之一波片11远离第二分光面132的一侧。
40.示例性的，结合图1、图2和图3所示，分光单元1包括分光镜主体13，分光镜主体13包括第一分光面131和第二分光面132。如图2所示，沿第一聚焦光束b的入射方向，在第一分光面131的一侧贴附偏振反射膜层12，在偏振反射膜层12远离第一分光面131的一侧贴附四分之一波片11，在第二分光面 131镀有增透膜。四分之一波片又称“四分之一延迟板”，一定波长的光垂直入射通过时，出射的寻常光和异常光之间相位差1/4波长，在光路中它常用来使线偏振光变为圆偏振光或椭圆偏振光；或者相反；当同一路光束两次经过四分之一波片
后，出射的寻常光和异常光之间相位差1/2波长，即偏振方向发生90
°
偏转。偏振反射膜层12使得偏振方向平行偏振反射膜层12的光轴方向的第一分光光束b1透射，偏振方向与偏振反射膜层12的光轴方向非平行的第二分光光束b被反射，四分之一波片11和偏振反射膜层12共同作用第一聚焦光束b 后分光单元1完成分光，同时，增透膜增加透射光的透过率，提高光的能量利用率。
41.具体的，以图2为例，当离开透镜组3的第一聚焦光束光线为自然光时，光线经过四分之一波片11后仍为自然光，到达偏振反射膜12的表面。例如，设定偏振反射膜12的膜层属性为p-偏振光反射和s-偏振光透射，即自然光光矢量中的p-偏振光被偏振反射膜12反射，自然光光矢量中的s-偏振光穿过偏振反射膜12发生透射，成为杂散光。被反射的p-偏振光再次经过四分之一波片 11时相位发生1/4波长延迟被分光成椭圆偏振光；椭圆偏振光到达反射单元2 后被汇聚且反射后再一次经过分光单元1的四分之一波片11，此时椭圆偏振光的相位又发生1/4波长延迟从而被调整为s-偏振光，满足偏振反射膜12透射 s-偏振光的膜层属性；被调整后的s-偏振光进入用户眼睛形成虚拟图像，线偏振光可有效提高虚拟图像的视觉成像效果，用户眼睛看到的虚拟图像和实物图像叠加达到增强现实的效果。
42.或者，以图2为例，当离开透镜组3的第一聚焦光束光线为椭圆偏振光时，光线经过四分之一波片11后相位发生1/4波长延迟被分光成线偏振光p-偏振光 (或s-偏振光)，到达偏振反射膜12的表面，例如，设定偏振反射膜12的膜层属性为p-偏振光反射和s-偏振光透射。p-偏振光被偏振反射膜12反射，s-偏振光被偏振反射膜12透射，成为杂散光；被反射的p-偏振光再次经过四分之一波片11相位发生1/4波长延迟被分光成椭圆偏振光，椭圆偏振光到达反射单元2 后被汇聚且反射后再一次经过分光单元1的四分之一波片11，此时椭圆偏振光的相位又发生1/4波长延迟从而被调整为s-偏振光，满足偏振反射膜12透射 s-偏振光的膜层属性。被调整后的s-偏振光进入用户眼睛形成虚拟图像，线偏振光可有效提高虚拟图像的视觉成像效果，用户眼睛看到的虚拟图像和实物图像叠加达到增强现实的效果。
43.再或者，以图2为例，当离开透镜组3的第一聚焦光束光线为线偏振光s
‑ꢀ
偏振光(或p-偏振光)时，光线经过四分之一波片11后相位发生1/4波长延迟被分光成椭圆偏振光。由于任何一种输入偏振状态都可以表示为s和p分量的矢量和，椭圆偏振光到达偏振反射膜12的表面，例如，设定偏振反射膜12的膜层属性为p-偏振光反射和s-偏振光透射。椭圆偏振光光矢量中的p-偏振光被偏振反射膜12反射，椭圆偏振光光矢量中的s-偏振光穿过偏振反射膜12发生透射，成为杂散光。被反射的p-偏振光再次经过四分之一波片11时相位发生 1/4波长延迟被分光成椭圆偏振光；椭圆偏振光到达反射单元2后被汇聚且反射后再一次经过分光单元1的四分之一波片11，此时椭圆偏振光的相位又发生1/4 波长延迟从而被调整为s-偏振光，满足偏振反射膜12透射s-偏振光的膜层属性。被调整后的s-偏振光进入用户眼睛形成虚拟图像，线偏振光可有效提高虚拟图像的视觉成像效果，用户眼睛看到的虚拟图像和实物图像叠加达到增强现实的效果。
44.其中，也可设定偏振反射膜12的膜层属性为s-偏振光反射和p-偏振光透射，原理与上述实施例相同，这里不再做一一列举。
45.需要理解的是，当第一聚焦光束光线为自然光和线偏振光时，第一聚焦光束的能量利用率仅仅是椭圆偏振光能量利用率的50％，通过合理的选择显示器也可以提高增强现实系统的视觉成像效果。
46.图3为分光单元1的另一种可行的结构，在第二分光面132的一侧贴附四分之一波片11，在四分之一波片11远离第二分光面132的一侧贴附偏振反射膜 12，在第一分光面131镀有增透膜，图3示出的分光单元1的有效效果与图2 相同，这里不再组赘述。需要说明的是，图2和图3仅仅示出了两种可行的实施例方式，保证经透镜组3的聚焦的第一聚焦光束b最先到达四分之一波片11 即可。
47.在上述实施例的基础上，可选的，偏振反射膜的光轴方向与四分之一波片的光轴方向的夹角为45
°
或135
°
。
48.示例性的，通过设定偏振反射膜的光轴方向与四分之一波片的光轴方向的夹角为45
°
或135
°
，使得偏振反射膜对p-偏振光和s-偏振光的分光比满足1:1，当p-偏振光反射s-偏振光透射时(或s-偏振光反射p-偏振光透射时)尽可能提高入射光线的能量利用率，提高入眼虚拟图像的视觉效果。
49.可选的，当离开透镜组3的第一聚焦光束光线为线偏振光s-偏振光(或p
‑ꢀ
偏振光)时，要求离开透镜组3的光线为线偏振光的偏振方向与四分之一波片的光轴方向的夹角为45
°
或135
°
，更进一步提满足偏振反射膜对p-偏振光和 s-偏振光的分光比达到1:1，高入射光线的能量利用率，提高入眼虚拟图像的视觉效果。
50.在上述实施例的基础上，继续参考图1所示，曲面反射单元2包括第一曲面21和第二曲面22；第一曲面21镀有增透膜，第二曲面22镀有分光膜；或，第一曲面21镀有分光膜，第二曲面22镀有增透膜。
51.示例性的，继续参考图1所示，当在曲面反射单元2的第一曲面21镀有增透膜，第二曲面22镀有分光膜，可选的，第一曲面21和第二曲面22的面型相同。经分光单元1分光的第二分光光束b2穿过第一曲面21的增透膜被第二曲面22的分光膜反射成平行出射的反射光束；通过增镀增透膜可以提高光的能量利用率，降低光损耗。可选的，分光膜得透射光和反射光的透反比为1:1，通过此设置，可以有效平衡自然光和反射光束的光利用率，提高眼睛的虚拟图像和真实图像的叠加视觉成像效果。
52.或者，在曲面反射单元2的第一曲面21镀有分光膜，第二曲面22镀有增透膜，使得经分光单元1分光的第二分光光束b2一部分被第一曲面21的分光膜反射成平行出射的反射光束，一部分穿过第二曲面22的增透膜，成为杂散光；通过增镀增透膜可以提高杂散光的透过率，降低能量聚集，以及提高自然光的入射率，降低自然光的光损耗。达到的效果与上述实施例相同，这里不再做赘述。
53.可选的，曲面反射单元的中心的切面与分光单元所在平面的夹角为α，30
°
≤α≤60
°
。
54.示例性的，如图1所示，曲面反射单元2的中心的切面与分光单元1所在平面的夹角α满足30
°
≤α≤60
°
，通过调整夹角α，使得曲面反射单元2与分光单元1之间的间距可调以及反射光束的角度和方向可调，因而，夹角α直接影响系统的视场、出瞳直径等参数，合理设置夹角α可有效提高系统的视场、出瞳直径等。
55.在上述实施例的基础上，可选的，曲面反射单元相对反射光束的焦距为f2， 20mm≤|f2|≤35mm；曲面反射单元相对自然光的焦距为f3，|f3|≥500mm。
56.示例性的，曲面反射单元相对反射光束的焦距f2满足20≤|f2|≤35mm，曲面反射单元相对自然光入射光的焦距f3满足|f3|≥500mm，可以提高系统的出瞳距和焦距等，提高
眼睛的虚拟图像和真实图像的叠加视觉成像效果。
57.可选的，曲面反射单元的厚度为h1，1mm≤h1≤5mm，分光单元的厚度为h2，0.3mm≤h2≤2mm。
58.示例性的，分光单元、曲面反射单元和透镜组的材质包括玻璃或光学树脂，材料的折射率范围在1.5-1.95之间，通过合理选择分光单元和曲面反射单元的材料，控制曲面反射单元的厚度h1满足1≤h1≤5mm，分光单元的厚度h2满足0.3≤h2≤2mm，使得系统结构紧凑轻量化，提高佩戴者的舒适感。
59.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。