增强现实设备的光学系统的制作方法

本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种增强现实设备的光学系统。

背景技术：

目前市场上增强显示设备多采用半反半透的自由曲面加补偿镜的方式，这种增强显示设备的光学系统从人眼侧依次包括透镜和显示屏，但是受限于离轴反射和人脸，鼻子的限制，增强显示部分的垂直方向视场角很难做大，基本小于60度视场角，很难做到增强部分和现实部分的视场角度匹配，例如，申请号为CN200810167800.7的专利文献中记载的光学系统，其最大视场角也仅有54度，远远小于人眼的视觉范围。

市面上还有一种使用波导的方式增强显示设备，例如，申请号为CN201410210221.1和CN201480036269.3的专利文献中记载的光学系统，受限于波导本身的性质，其增强部分的视场角依然很难做大。

另外，对于以上第一种采用自由曲面棱镜的方式的增强显示设备，因为自由曲面加工复杂，而且需要在自由曲面上增加半反半透镀膜，同时需要和后面补偿镜进行胶合，自由曲面棱镜加工复杂，检测较难，同时在自由曲面上半反半透镀膜要求较高，和补偿镜胶合精度要求也较高，同时光学系统中各部件相对位置公差敏感，安装难度大。

对于以上使用第二种光波导原理的增强显示设备，最大的问题在于角度难以扩大，视场极大的受限于波导的性质和材料，同时因为耦合器件多数为微结构光学元件，加工难度大，精度要求高，成本也较高，同时因为使用了光栅的缘故，在人眼侧受限于衍射级次的关系，需要考虑消除杂散光的问题。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种增强现实设备的光学系统，能够解决现有的增强显示设备的增强部分的视场角难以做到与现实部分的视场角一样大的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种增强现实设备的光学系统，该增强现实设备的光学系统包括光学单元，每个光学单元从人眼侧开始依次包括吸收式偏振器件、显示屏、1/8或1/4波片和反射透射分光镜，其中，

所述吸收式偏振器件、显示屏、1/8波片、1/4波片均为光学透明元件，所述显示屏发出的光线为线性偏振光。

进一步的，上述增强现实设备的光学系统中，所述人眼、吸收式偏振器件、显示屏、1/8或1/4波片和反射透射分光镜的光轴都在同一条直线上。

进一步的，上述增强现实设备的光学系统中，所述反射透射分光镜的一面设置有预设反射率和透射率的分光膜，另外一面设置有增透膜。

进一步的，上述增强现实设备的光学系统中，所述显示屏发出的光线为第一线性偏振光，所述吸收式偏振器件的通光方向与所述第一线性偏振光的偏振方向正交。

进一步的，上述增强现实设备的光学系统中，所述显示屏发出的光线为第一线性偏振光，所述显示屏于所述吸收式偏振器件侧发出的第一线性偏振光被所述吸收式偏振器件吸收。

进一步的，上述增强现实设备的光学系统中，外界自然光经过所述反射透射分光镜之后，一部分的光线被反射，另一部分的光线依次通过所述反射透射分光镜、所述1/8或1/4波片、显示屏后，继续有部分光线被所述吸收式偏振器件吸收，另一部分的光线通过所述吸收式偏振器件后，射入人眼。

进一步的，上述增强现实设备的光学系统中，所述显示屏发出的光线为第一线性偏振光，所述显示屏于所述1/8波片侧发出的第一线性偏振光在第一次经过1/8所述波片时，第一线性偏振光被转化为椭圆偏振光后，所述椭圆偏振光被所述反射透射分光镜反射后，再次经过所述1/8波片时，再被转化为圆偏振光，与所述吸收式偏振器件通光方向一致的圆偏振光的分量通过所述吸收式偏振器件后，射入人眼；与所述吸收式偏振器件通光方向不一致的圆偏振光的分量被所述吸收式偏振器件吸收。

进一步的，上述增强现实设备的光学系统中，所述显示屏发出的光线为第一线性偏振光，所述显示屏于所述1/4波片侧发出的第一线性偏振光在第一次经过1/4波片时，第一线性偏振光被转化为圆偏振光，所述圆偏振光被所述反射透射分光镜反射后，再次经过所述1/4波片时，再被转化为第二线性偏振光，所述第二线性偏振光与所述吸收式偏振器件通光方向一致，所述第二线性偏振光完全通过所述吸收式偏振器件后，射入人眼。

进一步的，上述增强现实设备的光学系统中，所述1/8和/或1/4波片为复合波片或零级波片。

进一步的，上述增强现实设备的光学系统中，所述1/8和/或1/4波片为消除色差的波片。

进一步的，上述增强现实设备的光学系统中，所述吸收式偏振器件贴合于所述显示屏的靠近人眼侧表面，所述1/8或1/4波片贴合于所述显示屏的远离人眼侧表面。

进一步的，上述增强现实设备的光学系统中，所述反射透射分光镜为球面镜或非球面镜。

进一步的，上述增强现实设备的光学系统中，所述光学系统包括对称的左右眼两个所述光学单元，每个光学单元的吸收式偏振器件、显示屏、1/8或1/4波片和反射透射分光镜的光轴重合，作为每个光学单元的光轴，所述左右眼光学单元的光轴分别向远离对方的方向偏转预设角度。

与现有技术相比，本发明通过将透明显示屏设置在反射透射分光镜和人眼之间，并且在显示屏的两侧分别设置偏振器件和1/8或1/4波片，显示屏设置为透明，能使增强的内容经反射后成虚像被人眼所看到，另外，现实中的光线也能透过显示屏，让人眼看到现实，显示屏于人眼侧的一面(显示屏的正面)发出的线性偏振光可以被吸收式偏振器件吸收，不进入人眼，有效的隔断了杂散光，显示屏于的远离人眼侧的一面(显示屏的背面)发出的线性偏振光依次经过1/8或1/4波片透射、反射透射分光镜反射、1/8或1/4波片透射、显示屏透射、吸收式偏振器件透射后，进入人眼，从而扩大了增强部分的视场角度，包括扩大增强部分的垂直和水平方向视场角，实现增强部分和现实部分的视场角度匹配。同时，因为反射式设计，不同波长的光线在反射镜表面反射，光学系统的色差小。另外，本实施例因为没有使用光栅，所以没有因为衍射次级带来的杂散光，不会有使用光波导原理的增强显示设备类似的杂散光问题。

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，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出本发明一实施例的增强现实设备的光学系统的增强部分光路示意图；

图2示出图1的现实部分的光路示意图；

图3示出图1和图2组合成的复合光路示意图；

图4示出根据本发明另一实施例的增强现实设备的光学系统的增强部分光路示意图；

图5示出图4的现实部分的光路示意图；

图6示出图4和图5组合成的复合光路示意图。

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

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1～6所示，本发明提供一种增强现实设备的光学系统，包括光学单元，每个光学单元从人眼1侧开始依次包括吸收式偏振器件2、显示屏3、1/8或1/4波片4和反射透射分光镜5，其中，

所述吸收式偏振器件2、显示屏3、1/8波片、1/4波片4(相位延迟片)均为光学透明元件，所述显示屏3发出的光线为线性偏振光。在此，本实施例通过将透明显示屏设置在反射透射分光镜和人眼之间，并且在显示屏的两侧分别设置偏振器件和1/8或1/4波片，显示屏设置为透明，能使增强的内容经反射后成虚像被人眼所看到，另外，现实中的光线也能透过显示屏，让人眼看到现实，显示屏于人眼侧的一面(显示屏的正面)发出的线性偏振光可以被吸收式偏振器件吸收，不进入人眼，有效的隔断了杂散光，显示屏于的远离人眼侧的一面(显示屏的背面)发出的线性偏振光依次经过1/8或1/4波片透射、反射透射分光镜反射、1/8或1/4波片透射、显示屏透射、吸收式偏振器件透射后，进入人眼，从而扩大了增强部分的视场角度，包括扩大增强部分的垂直和水平方向视场角，实现增强部分和现实部分的视场角度匹配。同时，因为反射式设计，不同波长的光线在反射镜表面反射，光学系统的色差小。另外，本实施例因为没有使用光栅，所以没有因为衍射次级带来的杂散光，不会有使用光波导原理的增强显示设备类似的杂散光问题。

具体来说，如图1和4所示，对于增强部分而言，从显示屏3发出的光线不会直接传播入人眼，但需要让显示屏3发出的并从反射透射分光镜5反射回来的光可以透过显示屏4，进入人眼1，即，需要把从显示屏直接射向人眼的光吸收，因为这一部分为杂散光，另外，需要让被反射透射分光镜反射回来的光线透过，这样人眼才可观察到显示屏上内容成的放大的虚像，而不会直接看到屏上的内容，为此在屏的前侧加了吸收式偏振光2，这样显示屏3直接发出的朝人眼侧的光线就会被吸收，而被反射回来的光线因为有波片4的缘故，偏振方向发生了改变，偏振方向发生改变的光可以透过该吸收式偏振片2，从而扩大了增强部分的视场角。

另外，如图2和5所示，对于现实部分而言，从现实中发出的自然光为自由偏振态，光线经过反射透射分光镜5之后，一部分的光线被反射，另一部分的光线会通过反射透射分光镜，入射至1/8或者1/4波片4，因为入射光是自然光，波片不会改变光线的偏振态，光线继续通过透明显示屏3和吸收式偏振片2，进入人眼1，产生现实图像。

本发明一实施例的增强现实设备的光学系统中，所述吸收式偏振器件2、显示屏3、1/8波片4、1/4波片4的外形可为长方体或者立方体，在面型上可为对称结构，但外形可以不是对称结构。反射透射分光镜5的面型可为旋转对称结构，旋转对称结构比较好加工，当然非旋转的对称结构也可以。现有技术的自由曲面棱镜的每个面都是光学系统的有效面，而且是非对称的结构，各元件空间位置要求高，所以对于倾斜，旋转等都会对光学系统造成影响。本实施例各元件在面型上都是对称的结构，加工简单、精度要求低，安装要求低。另外，本发明的显示屏的实际外形可以是任意形状，如矩形、圆形、异形等。

本发明一实施例的增强现实设备的光学系统中，所述人眼、吸收式偏振器件、显示屏、1/8或1/4波片和反射透射分光镜的光轴都在同一条直线上，更加容易平衡光学像差，加工简单、精度要求低，安装要求低。

本发明一实施例的增强现实设备的光学系统中，所述反射透射分光镜的一面设置有预设反射率和透射率的分光膜，所述分光膜可以让部分光线透过，部分光线反射；所述反射透射分光镜的另外一面设置有增透膜。在此，因为要同时实现增强的光路和现实的光路，缺一不可，所以所述反射透射分光镜的一面设置有预设反射率和透射率的分光膜；另外，为了确保足够多的光线可以透过，所以在另外一面设置有增透膜。所述分光膜和增透膜可镀或贴附于所述反射透射分光镜表面。如图1至3所示，可将预设反射率和透射率的分光膜设置于反射透射分光镜的靠近显示屏侧(前表面51)，另外将增透膜设置于反射透射分光镜的远离显示屏侧(后表面52)；如图4至6所示，也可以将预设反射率和透射率的分光膜设置于反射透射分光镜的远离显示屏侧(后表面52)，另外将增透膜设置于反射透射分光镜的靠近显示屏侧(前表面51)。对于反射透射分光镜只要一个面有预设反射率和透射率的分光膜即可，至于在哪个面有分光膜，使用效果上无太大差别，但是选择不同的镀膜面，光学设计参数会不一样。

接上一实施例，具体来说，因为光线有反射和透射，对于分光膜在前表面的情形，虚拟部分可以在只作为一个面来考虑，但现实部分要作为一个整体透镜来考虑，所以对于后表面的面型有要求,它要保证自然光透过之后，光线角度不发生变化，这样才能保证在人戴和不戴增强现实设备所看到现实或者自然界没有发生变形；另外，对于反射透射分光镜5的材料,那就必须是透明光学材料，要让自然光透过，还要满足其他的一些光学特性,例如另外一个面的镀膜、透过率、成型精度和信耐性等；

对于分光膜在后表面的情形，虚拟部分光线也要经过反射透射分光镜5内部,所以对于前表面也是虚拟部分光路的一部分，在设计的时候它也是一个透镜整体，要满足虚拟显示的光学要求，例如色差、畸变、解像力和材料等.对于现实部分，则同样要看作一个透镜整体来看.它要满足现实光路的一些要求，例如上面所说的变形、材料等等；

此外，对于在反射透射分光镜5的另外一个面可以增加增透膜,也可以不加增透膜。对于光学性能来说增透膜可以提高能量利用率，同时考虑到信耐性,毕竟有一个面直接暴露在空气中，而且考虑到塑胶材料本身的硬度和稳定性，另外，还可以在反射透射分光镜5增加硬化膜、防指纹膜和防雾膜等。

本发明一实施例的增强现实设备的光学系统中，反射率和透射率各为50％。在此，当反射率和透射率各为50％时，所述反射透射分光镜即成为半反半透镜。当然，反射率和透射率也可以为其他比例，只是现实部分和增强部分的能量利用率会稍有改变，但一定要是有部分反射和部分透射的效果，因为要同时实现增强的光路和现实的光路，缺一不可。

本发明一实施例的增强现实设备的光学系统中，所述显示屏发出的光线为第一线性偏振光，所述吸收式偏振器件的通光方向与所述第一线性偏振光的偏振方向正交。在此，当所述吸收式偏振器件的通光方向与所述第一线性偏振光的偏振方向正交，从显示屏正面发出的第一线性偏振光可以被所述吸收式偏振器件全部吸收，从显示屏正面发出的全部光线都不会射入人眼，这样的吸收效果最好。

本发明一实施例的增强现实设备的光学系统中，如图1和4所示，对于增强部分而言，所述显示屏3发出的光线为第一线性偏振光，所述显示屏3于所述吸收式偏振器件2侧发出的第一线性偏振光被所述吸收式偏振器件3吸收。在此，为了不让显示屏发出的光直接进入人眼，这里利用不同入射角度带来的相位延迟差而产生的与吸收式偏振器件通光方向不一致的光线，可以被显示屏前侧的吸收式偏振器件吸收的原理，让所述吸收式偏振器件吸收由显示屏正面发出的光线，大大降低了杂光的影响，以便后续让显示屏背面的光线经反射扩大角度后，再进入人眼，避免如果没有所述吸收式偏振器件，人眼将直接看到显示屏的图像的问题，如果人眼直接看到显示屏的图像，首先由于人眼与显示屏离得太近，人眼无法看清显示屏的图像，其次，显示屏的图像没有进行放大，根本不会有增强的效果，所以本发明采用显示屏背面的光线经反射扩大角度后的反射像，人眼可以看到由显示屏被反射回来的放大的虚像。

本发明一实施例的增强现实设备的光学系统中，如图2和5所示，从现实即自然界中发出的自然光经过所述反射透射分光镜5之后，一部分的光线被反射，另一部分的光线依次通过所述反射透射分光镜5、所述1/8或1/4波片4、显示屏3后，继续有部分光线被所述吸收式偏振器件2吸收，另一部分的光线通过所述吸收式偏振器件2后，射入人眼，从而实现了现实部分的光路。在此，从现实中发出的自然光为自由偏振态，光线经过反射透射分光镜之后，一部分的光线被反射，另外一部分的光线会通过反射透射分光镜，入射至1/8或者1/4波片，因为入射光是自然光，1/8或者1/4波片不会改变光线的偏振态，光线继续通过显示屏，在吸收式偏振片上部分的光线会被吸收，剩余部分的光线通过，进入人眼，产生现实图像。图1和图2组合成的复合光路如图3所示，图4和图5组合成的复合光路如图6所示。

本发明一实施例的增强现实设备的光学系统中，当采用1/8波片时，对增强部分而言，所述显示屏发出的光线为第一线性偏振光，所述显示屏于所述1/8波片侧发出的第一线性偏振光在第一次经过1/8所述波片时，第一线性偏振光被转化为椭圆偏振光后，所述椭圆偏振光被所述反射透射分光镜反射后，再次经过所述1/8波片时，再被转化为圆偏振光，与所述吸收式偏振器件通光方向一致的圆偏振光的分量通过所述吸收式偏振器件后，射入人眼，从而实现对增强部分的视场角的扩大；与所述吸收式偏振器件通光方向不一致的圆偏振光的分量被所述吸收式偏振器件吸收，消除人眼杂光。

本发明一实施例的增强现实设备的光学系统中，当采用1/4波片时，对增强部分而言，所述显示屏发出的光线为第一线性偏振光，所述显示屏于所述1/4波片侧发出的第一线性偏振光在第一次经过1/4波片时，第一线性偏振光被转化为圆偏振光，所述圆偏振光被所述反射透射分光镜反射后，再次经过所述1/4波片时，再被转化为第二线性偏振光，所述第二线性偏振光与所述吸收式偏振器件通光方向一致，所述第二线性偏振光完全通过所述吸收式偏振器件后，射入人眼，从而实现对增强部分的视场角的扩大。在此，为了区分不同的线性偏振光的偏振方向，将两种不同的偏振方向的线性偏振光分别称为第一线性偏振光和第二线性偏振光，第一线性偏振光的偏振方向与第二线性偏振光的偏振方向正交，所述第二线性偏振光与所述吸收式偏振器件的通光方向一致，所述第二线性偏振光完全通过所述吸收式偏振器件，不会有部分被吸收式偏振器件吸收的情况，所以相比于上一实施例的1/8波片，本实例采用1/4波片，能量利用率会更高。

本发明一实施例的增强现实设备的光学系统中，所述1/8波片可为复合波片或零级波片，所述1/4波片可为复合波片或零级波片，从而满足各种应用需求。

本发明一实施例的增强现实设备的光学系统中，所述1/8和/或1/4波片为消除色差的波片，从而能够在扩大增强部分的视场角的同时，更好地消除色差。所述消除色差的波片可以是复合波片或零级波片。

本发明一实施例的增强现实设备的光学系统中，如图1至6所示，所述吸收式偏振器件2贴合于所述显示屏3的靠近人眼侧表面，所述1/8或1/4波片4贴合于所述显示屏3的远离人眼侧表面，因为，所述吸收式偏振器件和所述1/8或1/4波片很薄，采用贴合的方式，可以方便安装。当然，所述吸收式偏振器件也可不贴合而是紧邻于所述显示屏的靠近人眼侧表面，所述1/8或1/4波片也可不贴合而是紧邻于所述显示屏的远离人眼侧表面。

本发明一实施例的增强现实设备的光学系统中，所述反射透射分光镜的作用是将从显示屏上发出的光线反射，同时使现实中的光可以透射进入人眼，如图1至6所示，所述反射透射分光镜为可为曲面反射透射分光镜，例如，可以是球面镜或非球面镜。其中，非球面镜相差矫正效果更好，采用哪种面型的反射透射分光镜可取决于具体光学设计要求。

本发明一实施例的增强现实设备的光学系统中，所述光学系统包括对称的左右眼两个所述光学单元，每个光学单元的吸收式偏振器件、显示屏、1/8或1/4波片和反射透射分光镜的光轴重合即都在同一条直线上，作为每个光学单元的光轴，所述左右眼光学单元的光轴分别向远离对方的方向偏转预设角度。本实施例中，使用两块分离的光学单元，而且光学单元之间成一定的角度，显光学单元分别向两侧倾斜，由于所述左右眼光学单元的光轴分别向远离对方的方向偏转预设角度，可以让光学系统的整体视场角变大，左眼左侧可以看到更宽的角度，右眼右侧同样可以看到更宽的角度，同时会避免镜片与人鼻子的干涉，实现比现有的增强现实设备具有更宽的整体视场角，用户使用时，左右眼可以感觉到余光视觉的存在，提升了用户使用增强现实设备时的沉浸感，另外，所述左右眼光学单元的光轴分别向远离对方的方向偏转预设角度时，需要对图像作分块处理。

本发明一实施例的增强现实设备的光学系统中，所述预设角度小于等于30度，在此，将所述左右眼光学单元的光轴由原来的与人眼正视方向平行的方向分别向远离对方的方向偏转小于等于30度，即左眼视场中心即左眼光轴由人眼正视方向向左侧偏转小于等于30度，右眼视场中心即右眼光轴由人眼正视方向向右侧偏转小于等于30度，从而能够满足用户左右眼感觉到余光视觉的存在的需求。

综上所述，本发明通过将透明显示屏设置在反射透射分光镜和人眼之间，并且在显示屏的两侧分别设置偏振器件和1/8或1/4波片，显示屏设置为透明，能使增强的内容经反射后成虚像被人眼所看到，另外，现实中的光线也能透过显示屏，让人眼看到现实，显示屏于人眼侧的一面(显示屏的正面)发出的线性偏振光可以被吸收式偏振器件吸收，不进入人眼，有效的隔断了杂散光，显示屏于的远离人眼侧的一面(显示屏的背面)发出的线性偏振光依次经过1/8或1/4波片透射、反射透射分光镜反射、1/8或1/4波片透射、显示屏透射、吸收式偏振器件透射后，进入人眼，从而扩大了增强部分的视场角度，包括扩大增强部分的垂直和水平方向视场角，实现增强部分和现实部分的视场角度匹配。同时，因为反射式设计，不同波长的光线在反射镜表面反射，光学系统的色差小。另外，本实施例因为没有使用光栅，所以没有因为衍射次级带来的杂散光，不会有使用光波导原理的增强显示设备类似的杂散光问题。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明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发明。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，本发明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发明内。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。装置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。