增强现实光学机构及AR眼镜的制作方法

增强现实光学机构及ar眼镜
技术领域
1.本实用新型涉及增强现实技术领域，具体而言，涉及一种增强现实光学机构及ar眼镜。


背景技术：

2.增强现实(augmented reality，ar)是一种实时采集现实世界信息，并将虚拟信息、图像等与现实世界相结合的显示技术，有望成为继个人电脑、智能手机后的新一代信息交互终端，具有广阔的市场规模和想象空间。ar硬件显示系统通常包含微型光机和光学组合器两部分，其中，微型光机是用于生成图像光线的器件，光学组合器的作用是将实际环境光线和图像光线进行组合，使得人眼同时能够观察到环境和光机产生的图像信息。
3.就ar眼镜而言，微型光机可以放置在眼镜的镜腿处或眼镜中央的区域，其中，放置在镜腿处的ar眼镜形态更为接近传统眼镜，用户的佩戴体验也更好。对于将微型光机放置在镜腿处的ar眼镜，难以在不影响佩戴舒适性的基础上，获得大的横向视场。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例的目的在于提供一种增强现实光学机构及ar眼镜，以解决上述问题。本实用新型实施例通过以下技术方案来实现上述目的。
5.第一方面，本实用新型提供一种增强现实光学机构，包括显示面板、光线折转组件和光学组合器，显示面板用于发出图像光线；光线折转组件设置于图像光线的光路，光线折转组件包括入射面、出射面及奇数个全反射面，自入射面入射的图像光线，经奇数个全反射面的反射后从出射面出射，以使图像光线在出射面上形成的图像相对图像光线在入射面上形成的图像旋转90
°
；光学组合器设置于光线折转组件的出光光路，光学组合器用于将图像光线反射至人眼，还用于透射环境光。
6.在一种实施方式中，光线折转组件包括奇数个折转棱镜，入射面、出射面和全反射面均设置于奇数个折转棱镜，每个折转棱镜设有一个全反射面。
7.在一种实施方式中，折转棱镜的横截面为直角三角形，折转棱镜包括斜面，全反射面设置于折转棱镜的斜面。
8.在一种实施方式中，自入射面入射的图像光线的传播方向与从出射面出射的图像光线的传播方向一致。
9.在一种实施方式中，增强现实光学机构还包括光阑，光阑设置于入射面和出射面之间，光阑位于图像光线的光路。
10.在一种实施方式中，光线折转组件包括多个折转棱镜，多个折转棱镜依次连接，光阑设置于任意相邻两个折转棱镜之间。
11.在一种实施方式中，图像光线用于形成图像光束，图像光束在不同的折转棱镜内的横截面积不同，每个折转棱镜的横截面积与图像光束在对应的折转棱镜的最大横截面积相等。
12.在一种实施方式中，光学组合器包括波导基底、耦入元件以及耦出元件，耦入元件和耦出元件均设置于波导基底，图像光线自耦入元件进入波导基底，经波导基底的反射后从耦出元件出射至人眼。
13.在一种实施方式中，增强现实光学机构还包括准直透镜组件，准直透镜组件设置于显示面板和光线折转组件之间，用于对图像光线进行准直。
14.第二方面，本实用新型还提供一种ar眼镜，包括镜架以及上述任一增强现实光学机构，镜架包括镜框和镜腿，镜腿与镜框连接，显示面板设置于镜腿，光学组合器设置于镜框。
15.相较于现有技术，本实用新型提供的增强现实光学机构及ar眼镜，通过将光线折转组件设置于图像光线的光路，经过光线折转组件的奇数个全反射面的反射后出射，使得图像光线在所述出射面上形成的图像相对所述图像光线在所述入射面上形成的图像旋转90
°
，从而能够将显示面板的纵向尺寸转化为所成像的横向尺寸，将显示面板的横向尺寸转化为所成像的纵向尺寸，因此，通过增加显示面板的纵向尺寸即可获得大的横向视场，不需要增加显示面板的横向尺寸，当增强现实光学机构应用于ar眼镜时，增加显示面板的纵向尺寸，不会影响ar眼镜佩戴的舒适性。
16.本实用新型的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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的附图。
18.图1是现有技术提供的采用光波导方案的ar硬件显示系统的基本原理图。
19.图2是图1所示的ar硬件显示系统的显示面板的结构示意图。
20.图3是本实用新型提供的增强现实光学机构(光线折转组件展开后)的结构示意图。
21.图4是图3所示的增强现实光学机构的光线折转组件的结构示意图。
22.图5是图4所示的增强现实光学机构的光线折转组件的爆炸图。
23.图6是图3所示的增强现实光学机构的折转棱镜的原理图。
24.图7是图4所示的光线折转组件中的单个直角三棱镜的展开图。
25.图8是图4所示的光线折转组件中的三个直角三棱镜的展开图。
26.图9是图3所示的增强现实光学机构的光学组合器的结构示意图。
27.图10是本实用新型提供的增强现实光学机构(光线折转组件展开后)在光阑设置于入射面时的结构示意图。
28.图11是本实用新型提供的另一种增强现实光学机构(光线折转组件展开后)的结构示意图。
29.图12是本实用新型提供的又一种增强现实光学机构(光线折转组件展开后)的结构示意图。
30.图13是图12所示的增强现实光学机构的光线折转组件的结构示意图。
31.图14是本实用新型提供的ar眼镜的结构示意图。
具体实施方式
32.为了便于理解本实用新型实施例，下面将参照相关附图对本实用新型实施例进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。
33.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型实施例中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。
34.ar设备中采用的微型光机是用于生成图像光线的器件，主要技术路线包括lcos(liquid crystal on silicon，硅基液晶)、laser beam scanning(lbs，激光束扫描)、micro led(micro light emitting diode，微型发光二极管)、micro oled(micro active-matrix organic light-emitting diode，微型有源矩阵有机发光二极体)等，原则上，可以将这些器件统一视为矩形的(主动式或被动式)发光面板。
35.光学组合器更大程度上决定了ar显示装置的整体形态，目前市场上比较成熟的方案包括棱镜、自由曲面、birdbath(共轴曲面)以及光波导方案，前三种方案在体积、视场角、透明度上并不能使ar眼镜成为轻量化的产品，而且影响佩戴体验感。而光波导可以解决视场角和体积之间的天然矛盾，不论从光学效果、外观形态，和量产前景来说，光波导都具备非常好的发展潜力。在整个光波导技术方向上，可以把光学方案分成两个方向，一个是阵列光波导，另一个是衍射光波导。阵列光波导和衍射波导具备相近的光学成像原理，其光学设计思想均是光束耦入进波导并在波导内全反射传播，遇到耦出元件后离开波导进入人眼。阵列光波导采用反射镜阵列作为耦合元件，而衍射波导采用光栅阵列，这两种元件都是常见光学元器件。波导方案基本原理如图1所示，人眼能够在波导前方观察到显示面板的虚像。显示面板实物与虚像的正视图(正对光线传播方向)均如图2所示，面板通常为矩形，其边长分别为x、y，其中，x为显示面板的纵向尺寸，y为显示面板的横向尺寸，且x＞y。ar眼镜的设计中，从显示面板发出的入射光经过光学组合器后最终进入人眼，人眼观察到的显示面板的虚像与显示面板的实物形状一致。
36.本技术的发明人发现，对于显示面板来说，小体积是至关重要的参数，这会影响ar眼镜的佩戴体验感。如图1所示，将显示面板100放置在ar眼镜的镜腿200处时，由于镜腿200与人脸之间的间隙有限，显示面板100的横向尺寸y不能设计得太大。相对应的，显示面板100的纵向尺寸x没有这一限制。因而，对于将显示面板100放在镜腿200处的ar眼镜方案来说，获得大的横向视场的难度要大于获得大的纵向视场的难度。而参考传统的电视及pc(personal computer，个人计算机)显示器，显示面板100的比例通常为4：3，16：9等，即，横向尺寸往往大于纵向尺寸。当希望获得较大的横向视场时，需要增大显示面板100的横向尺寸，这会影响ar眼镜佩戴的舒适性。
37.对于放置在镜腿处的光机，增大其纵向尺寸没有太大的影响，但相对应的，横向尺寸的增大会极大地影响佩戴的舒适度。因而，现有的ar眼镜的光机中显示面板的横向尺寸不能太大，使得ar眼镜不能获得大的横向视场。
38.为了解决至少部分上述问题，申请人提出一种增强现实光学机构及ar眼镜，增强现实光学机构能够将显示面板的纵向尺寸转化为所成像的横向尺寸，将显示面板的横向尺寸转化为所成像的纵向尺寸，因此，通过增加显示面板的纵向尺寸即可获得大的横向视场，不需要增加显示面板的横向尺寸，当增强现实光学机构应用于ar眼镜时，不会影响ar眼镜佩戴的舒适性。以下结合具体实施方式和说明书附图对本实用新型提供的增强现实光学机构及ar眼镜进行详细说明。
39.请参阅图3，本实用新型提供一种增强现实光学机构10，包括显示面板11、光线折转组件13和光学组合器15，显示面板11用于发出图像光线；光线折转组件13设置于图像光线的光路，其中，图3所示的光线折转组件13为展开后的光线折转组件13的结构示意图，以便于直观地展现出图像光线在光线折转组件13中的光路，光线折转组件13包括入射面132、出射面134及奇数个全反射面135，自入射面132入射的图像光线，经奇数个全反射面135的反射后从出射面134出射，以使图像光线在出射面134上形成的图像相对图像光线在入射面132上形成的图像旋转90
°
；光学组合器15设置于光线折转组件13的出光光路，光学组合器15用于将图像光线反射至人眼，还用于透射环境光。
40.在本实施例中，显示面板11大致为矩形板状结构，显示面板11用于发出图像光线，图像光线用于形成图像光束。在其他实施方式中，显示面板11采用的技术可以是硅基液晶、激光束扫描、微型发光二极管或者微型有源矩阵有机发光二极体技术中，满足能够用于ar眼镜，并发出图像光的目的即可。在其他实施方式中，显示面板11还可以是其他形状，具体可以根据实际情况设定。
41.请参阅图4和图5，光线折转组件13设置于图像光线的光路，其中，图4所示的光线折转组件13为未展开的光线折转组件13的结构示意图，光线折转组件13包括入射面132、出射面134及奇数个全反射面135，自入射面132入射的图像光线，经奇数个全反射面135的反射后从出射面134出射，以使图像光线在出射面134上形成的图像相对图像光线在入射面132上形成的图像旋转90
°
，即，出瞳相对于入瞳偏转90
°
，从而能够将显示面板11的纵向尺寸x转化为所成像的横向尺寸，将显示面板11(图3)的横向尺寸y转化为所成像的纵向尺寸，即，显示面板所成像的横向尺寸为x，纵向尺寸为y。因此，通过增加显示面板11的纵向尺寸即可获得大的横向视场，不需要增加显示面板11的横向尺寸，当增强现实光学机构10应用于ar眼镜时，增加显示面板11的纵向尺寸，不会影响ar眼镜佩戴的舒适性。
42.在本实施例中，自入射面132入射的图像光线的传播方向与从出射面134出射的图像光线的传播方向一致，使得显示面板11的放置角度与用户观察到的像的角度一致，因此，当显示面板11平放时，用户可以观察到与传播方向垂直的平面图像，不需要将显示面板11倾斜放置，有利于减小增强现实光学机构10的尺寸，利于ar眼镜的小型化。
43.在本实施例中，光线折转组件13包括多个折转棱镜136，多个折转棱镜136依次连接，例如，光线折转组件13包括奇数个折转棱镜136，其中，奇数个可以是三个、五个、七个或者更多数量，具体可以根据实际情况设定。在其他实施方式中，多个折转棱镜136还可以一体设置。
44.入射面132、出射面134和全反射面135均设置于奇数个折转棱镜136，每个折转棱镜136设有一个全反射面135，即，全反射面135的数量也为奇数个，使得入射至光线折转组件13内的图像光线能够经过奇数次全反射后再出射。
45.由于折转棱镜136的数量越大，增强现实光学机构10的体积越大，且成本也越高，因此，为了减小增强现实光学机构10的体积，降低成本，需要减少折转棱镜136的数量。在本实施例中，折转棱镜136的数量为三个，为了便于描述，将三个折转棱镜136分别命名为第一折转棱镜137、第二折转棱镜138和第三折转棱镜139。
46.在本实施例中，折转棱镜136的横截面为直角三角形，即，折转棱镜136为直角三棱镜，折转棱镜136包括斜面，全反射面135设置于折转棱镜136的斜面。折转棱镜136还包括两个直角面，在本实施例中，两个直角面与斜面的夹角均为45
°
，即，折转棱镜136的横截面为等腰直角三角形。在其他实施方式中，直角面与斜面的夹角还可以是其他数值。
47.在本实施例中，第一折转棱镜137、第二折转棱镜138和第三折转棱镜139均为直角三棱镜。第一折转棱镜137、第二折转棱镜138和第三折转棱镜139沿图像光线的光路依次设置，其中，入射面132设置于第一折转棱镜137的其中一个直角面，出射面134设置于第三折转棱镜139的其中一个直角面。
48.通过使用折转棱镜136，可以在不改变图像光线传播方向的条件下，对图像进行沿光轴方向的旋转变换，具体原理如下：
49.单个直角三棱镜对入射图像光线的作用与反射镜相一致，如图6所示，实物a经直角三棱镜后呈虚像a’，入射面132上的图像相对出射面134上的图像沿图像光线的传播方向发生了90
°
的偏转，即，实物a的横向尺寸与虚像a’的纵向尺寸相等，实物a的纵向尺寸与虚像a’的横向尺寸相等。基于此可以得到入射图像光线经过三个直角三棱镜后的图像，如图4所示，图像光线的出射方向与入射方向相一致，区别是入射面132上的图像相对出射面134上的图像沿图像光线的传播方向旋转了90
°
，入射图像的横向尺寸y变为了出射图像的纵向尺寸x，而入射图像的纵向尺寸x变为了出射图像的横向尺寸y。
50.请参阅图7，为了便于描述直角三棱镜内的光路，可以采用将直角三棱镜展开的方法，具体的展开过程包括：把直角三棱镜的光轴截面沿着它的全反射面135展开，取消直角三棱镜的反射，以平行玻璃板代替棱镜。平行玻璃板的厚度等于直角三棱镜的直角边长d。
51.经过直角三棱镜的展开，原本发生在全反射面135上的反射变为了透射。光线折转组件13包括第一折转棱镜137、第二折转棱镜138和第三折转棱镜139，光线折转组件13展开后的结果如图8所示，展开后的平行玻璃板的厚度为d1+d2+d3，其中d1为第一折转棱镜137的直角边长，d2为第二折转棱镜138的直角边长，d3为第三折转棱镜139的直角边长。
52.请参阅图3和图9，光学组合器15设置于光线折转组件13的出光光路，光学组合器15用于将图像光线反射至人眼，还用于透射环境光，从而在不影响用户观察周围环境的情况下，可以清晰地看到光学面板显示的图像，因此可以实现增强现实的功能。
53.在本实施例中，光学组合器15为光波导结构，例如，阵列光波导或者衍射光波导。光学组合器15包括波导基底152、耦入元件154以及耦出元件156，其中，耦入元件154和耦出元件156均设置于波导基底152，图像光线自耦入元件154进入波导基底152，经波导基底152的反射后从耦出元件156出射至人眼。耦入元件154用于将图像光束耦入进波导基底152，波导基底152用于对入射的光线进行全反射传播，耦出元件156用于将在波导基底152内全反射传播的图像光束耦出。
54.在本实施例中，耦入元件154和耦出元件156均可以设置于波导基底152的同一侧，例如，耦入元件154和耦出元件156可以通过粘接等方式设置于波导基底152。再例如，耦入
元件154和耦出元件156还可以与波导基底152一体设置。在一种实施方式中，耦入元件154和耦出元件156均为反射镜阵列，即，光学组合器15为阵列光波导。在另一种实施方式中，耦入元件154和耦出元件156还可以为光栅阵列，即，光学组合器15为衍射光波导。
55.在其他实施方式中，光学组合器15还可以是棱镜、自由曲面或者共轴曲面等。具体可以根据实际情况选择。
56.请继续参阅图3和图4，增强现实光学机构10还包括光阑17，光阑17设置于入射面132和出射面134之间，光阑17位于图像光线的光路，用于对图像光线的孔径角进行限制。
57.请参阅图3和图10，在本实施例中，光阑17设置于任意相邻两个折转棱镜136之间，可以尽可能地减小图像光束在折转棱镜136内部传播时的最大横截面积，从而可以减小光线折转组件13的总体尺寸，有利于增强现实光学机构10的小型化。
58.在本实施例中，光阑17设置于第一折转棱镜137和第二折转棱镜138的交界面处，因此，沿入射面132至出射面134，图像光束的横截面积先减小后增大，其中，第一折转棱镜137和第二折转棱镜138的交界面处的图像光束的横截面积最小。相对应地，如图10所示，当光阑17放置于入射面132时，随着图像光线在折转棱镜136内传播距离增大，图像光束的横截面积不断扩大，不利于光线折转组件13的小型化，从而不利于增强现实光学机构10的小型化。因此，相较于将光阑17设置于入射面132的方案，光线折转组件13与显示面板11进行适配，通过将光阑17设置于第一折转棱镜137和第二折转棱镜138的交界面处，可以尽可能地减小图像光束在折转棱镜136内部传播时的最大横截面积，从而可以减小光线折转组件13的总体尺寸，有利于增强现实光学机构10的小型化。
59.在一种实施方式中，增强现实光学机构10还包括准直透镜组件19，准直透镜组件19设置于显示面板11和光线折转组件13之间，用于对图像光线进行准直。准直透镜组件19可以包括第一透镜192、第二透镜194和第三透镜196，第一透镜192、第二透镜194和第三透镜196沿图像光线的光路依次设置，第一透镜192、第二透镜194和第三透镜196相互配合，以对图像光线进行准直。第一透镜192、第二透镜194和第三透镜196均可以选自平凸透镜、凹凸透镜和双凸透镜的其中一个。
60.在本实施例中，从显示面板11发出的图像光线经准直透镜组的准直作用后进入光线折转组件13。经过光线折转组件13的三次全反射后入射至光学组合器15，随后在人眼的无穷远处成像，且显示面板11所成像的横向尺寸对应面板的纵向尺寸，显示面板11所成像的纵向尺寸对应面板的横向尺寸。
61.请参阅图11，在一种实施方式中，还提供一种增强现实光学机构20，包括显示面板21、光线折转组件23、光学组合器25、光阑27和准直透镜组件29。光线折转组件23包括第一折转棱镜237、第二折转棱镜238和第三折转棱镜239。
62.与增强现实光学机构10不同的是，本实施方式的增强现实光学机构20的光阑27设置于第二折转棱镜238和第三折转棱镜239之间。沿入射面232至出射面234，图像光束的横截面积先减小后增大，其中，第二折转棱镜238和第三折转棱镜239的交界面处的图像光束的横截面积最小。相较于将光阑27设置于入射面232的方案，将光阑27设置于第二折转棱镜238和第三折转棱镜239的交界面处，可以尽可能地减小图像光束在折转棱镜236内部传播时的最大横截面积，从而可以减小光线折转组件23的总体尺寸，有利于增强现实光学机构20的小型化。
63.请参阅图12和图13，在一种实施方式中，还提供一种增强现实光学机构30，包括显示面板31、光线折转组件33、光学组合器35、光阑37和准直透镜组件39。光线折转组件33包括第一折转棱镜337、第二折转棱镜338和第三折转棱镜339。
64.与增强现实光学机构10不同的是，在本实施方式中，图像光束在不同的折转棱镜336内的横截面积不同，每个折转棱镜336的横截面积与图像光束在对应的折转棱镜336的最大横截面积相等，即，第一折转棱镜337、第二折转棱镜338和第三折转棱镜339可以根据图像光束的横截面积大小相应地调整尺寸，满足图像光束能够在第一折转棱镜337、第二折转棱镜338和第三折转棱镜339传播即可。例如，当光阑37设置于第一折转棱镜337和第二折转棱镜338的交界面时，可以相应地减小第一折转棱镜337和第二折转棱镜338的尺寸，例如，减小第一折转棱镜337和第二折转棱镜338的直角边的边长，从而可以减小光线折转组件33的总体尺寸，有利于增强现实光学机构30的小型化，以及降低生产成本。再例如，当光阑37设置于第二折转棱镜338和第三折转棱镜339的交界面时，可以相应地减小第二折转棱镜338和第三折转棱镜339的尺寸，例如，减小第二折转棱镜338和第三折转棱镜339的直角边的边长，从而可以减小光线折转组件33的总体尺寸，有利于增强现实光学机构30的小型化，以及降低生产成本。
65.综上，本实用新型提供的增强现实光学机构10，通过将光线折转组件13设置于图像光线的光路，经过光线折转组件13的奇数个全反射面135的反射后出射，使得图像光线在所述出射面134上形成的图像相对所述图像光线在所述入射面132上形成的图像旋转90
°
，从而能够将显示面板11的纵向尺寸转化为所成像的横向尺寸，将显示面板11的横向尺寸转化为所成像的纵向尺寸，因此，通过增加显示面板11的纵向尺寸即可获得大的横向视场，不需要增加显示面板11的横向尺寸，当增强现实光学机构10应用于ar眼镜时，增加显示面板11的纵向尺寸，不会影响ar眼镜佩戴的舒适性。
66.请参阅图14，本实用新型还提供一种ar眼镜1，包括镜架50以及增强现实光学机构10，镜架50包括镜框52和镜腿54，镜腿54与镜框52连接，显示面板11设置于镜腿54，光学组合器15设置于镜框52。
67.显示面板11(图3)设置于镜腿54，通过增加显示面板11的纵向尺寸即可获得大的横向视场，而增加显示面板11的纵向尺寸不会影响ar眼镜1佩戴的舒适性，因此，能够在不影响ar眼镜1佩戴舒适性的基础上，获得大的横向视场。
68.光线折转组件13(图3)可以设置于镜腿54，还可以设置于镜框52。
69.综上，本实用新型提供的ar眼镜1，通过将光线折转组件13设置于图像光线的光路，经过光线折转组件13的奇数个全反射面135的反射后出射，使得图像光线在所述出射面134上形成的图像相对所述图像光线在所述入射面132上形成的图像旋转90
°
，从而能够将显示面板11的纵向尺寸转化为所成像的横向尺寸，将显示面板11的横向尺寸转化为所成像的纵向尺寸，因此，通过增加显示面板11的纵向尺寸即可获得大的横向视场，且不会影响ar眼镜1佩戴的舒适性。
70.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。