一种光学模组及增强现实眼镜的制作方法

本实用新型涉及增强现实技术领域，更具体地说，涉及一种光学模组及增强现实眼镜。

背景技术：

增强现实(Augmented Reality，AR)，是一种实时地将虚拟图像与现实场景进行结合展现的技术，其基本的光学原理为向人眼同时入射携带真实世界景物信息和虚拟图像信息的光线，使两个光学路径上传输的图像信息在人眼处融合，以使人眼同时获得真实世界的景物信息和虚拟图像的混合图像，从而达到增强现实的效果。随着计算机技术的不断发展，增强现实技术在各个领域的用途越来越广泛。

增强现实眼镜主要包括用于提供虚拟图像光线的显示屏和用于对虚拟图像光线和外界入射光线处理使其在人眼中融合的光学模组，其中，现有技术中主流的光学模组分为光波导式和自由曲面棱镜式的光学模组，但不论是哪种形式的光学模组，都需要光线在其中进行反复的反射，在光线的反射过程中会造成光能的损失。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本申请提供了一种光学模组及增强现实眼镜，以提高在增强现实眼镜中的显示屏的光能利用率。

为实现上述技术目的，本申请一些实施例提供了如下技术方案：

一种光学模组，应用于增强现实眼镜，所述增强现实眼镜包括显示屏，所述光学模组包括：相对设置的曲面透镜和平面透镜；其中，

所述平面透镜一侧表面具有第一偏振分光膜，所述曲面透镜一侧表面具有第二偏振分光膜；

来自所述显示屏的出射光线依次经过具有所述第一偏振分光膜的平面透镜和具有所述第二偏振分光膜的曲面透镜反射并经过具有所述第一偏振分光膜的所述平面透镜透射后形成第一图像信息，其中所述出射光线为偏振光；

外界光线依次透过具有所述第二偏振分光膜的所述曲面透镜、和具有所述第一偏振分光膜的所述平面透镜后形成第二图像信息；

所述第一图像信息和第二图像信息形成混合图像信息。

可选的，所述偏振光为椭圆偏振光，所述椭圆偏振光的偏振方向包括第一偏振方向和第二偏振方向。

可选的，所述第一偏振分光膜的偏振方向与所述椭圆偏振光的第一偏振方向的差值小于预设阈值。

可选的，所述第一偏振分光膜用于全透过所述第一偏振方向的偏振光、并反射所述第二偏振方向的偏振光。

可选的，所述第二偏振分光膜的偏振方向与所述第一偏振分光膜的偏振方向成第一预设角度，所述第一预设角度的取值范围为45°±5°，包括端点值。

可选的，所述第一偏振方向为S向，所述第二偏振方向为P向。

可选的，所述偏振光为线偏振光，所述第一偏振分光膜用于使所述平面透镜至少透过所述偏振光的50％，并反射剩余偏振光形成反射光，所述第二偏振分光膜用于至少反射所述反射光的50％。

可选的，所述平面透镜与所述显示屏成第二预设角度设置；所述第二预设角度的取值范围为45°±5°，包括端点值。

可选的，所述曲面透镜具有第一弧面和第二弧面，所述第一弧面和第二弧面均凹向所述平面透镜，所述第二弧面表面设置有所述第二偏振分光膜，外界光线依次透过所述第一弧面和第二弧面到达所述平面透镜。

可选的，所述第一弧面的曲率半径与所述第二弧面的曲率半径满足预设公式；

所述预设公式为：|R₁-R₂|≤σ，其中，R₁表示所述第一弧面的曲率半径，R₂表示所述第二弧面的曲率半径，σ表示预设误差。

可选的，所述光学膜组还包括二分之一波片，所述二分之一波片设置在来自所述显示屏的出射光线至所述第一偏振分光膜的光路上，所述出射光线经过所述二分之一波片之后到达具有所述第一偏振分光膜的平面透镜上。

可选的，还包括：减反射膜；

所述减反射膜设置于所述平面透镜背离所述曲面透镜一侧表面。

本申请一些实施例还提供一种增强现实眼镜，包括：头戴设备主体，所述头戴设备主体用于将所述增强现实眼镜固定在用户的头部预设位置；所述头戴设备主体具有用于放置的显示屏的固定装置；

设置在所述头戴设备主体上的第一镜片模组以及第二镜片模组，所述第一镜片模组以及所述第二镜片模组均包括如上述任一项所述的光学模组；

其中，在进行增强现实图像显示时，所述显示屏分为两个显示区域，以进行分屏显示，两个显示区域均显示第一图像；一个显示区域出射的所述出射光线用于入射至所述第一镜片模组的光学模组，另一个显示区域出射的所述出射光线用于入射所述第二镜片模组的光学模组。

本申请一些实施例提供了一种光学模组及增强现实眼镜，其中，所述光学模组包括曲面透镜、平面透镜以及分别位于所述平面透镜和曲面透镜表面的偏振分光膜，在实际应用过程中，显示屏的出射光线经过所述第一偏振分光膜和第二偏振分光膜的反射后，透过所述第一偏振分光膜及所述平面透镜形成第一图像信息；外界光线依次透过所述曲面透镜、所述第二偏振分光膜、所述第一偏振分光膜及所述平面透镜形成第二图像信息，在利用所述光学模组进行增强现实显示时，所述第一图像信息和第二图像信息形成混合图像信息；可见，所述光学模组仅利用一曲面透镜以及一平面透镜，即可实现增强现实图像显示。

本申请一些实施例中，所述平面透镜可以通过所述第一偏振分光膜实现对显示屏出射光线中能量占比较大的偏振方向的偏振光的反射和利用，从而增加了显示屏出射光线的光能利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请的一些实施例提供的一种光学模组的结构示意图；

图2为本申请的一些实施例提供的显示屏发射的椭圆偏振光的偏振状态示意图；

图3(a)为本申请的一些实施例提供的第一偏振分光膜的偏振方向的示意图；

图3(b)为本申请的一些实施例提供的第二偏振分光膜的偏振方向的示意图；

图4为本申请的一些实施例提供的显示屏的出射光线的光路示意图；

图5为本申请的一些实施例提供的一种光学模组的结构示意图；

图6为本申请的一些实施例提供的光学模组的设计原理示意图；

图7为本申请的一些实施例提供的一种增强现实眼镜的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请一些实施例提供了一种光学模组，如图1所示，应用于增强现实眼镜，所述增强现实眼镜包括显示屏A10，所述光学模组包括：相对设置的曲面透镜200和平面透镜100；其中，

所述平面透镜100一侧表面具有第一偏振分光膜110，所述曲面透镜200一侧表面具有第二偏振分光膜210；

来自所述显示屏A10的出射光线依次经过具有所述第一偏振分光膜110的平面透镜100和具有所述第二偏振分光膜210的曲面透镜200反射并经过具有所述第一偏振分光膜110的所述平面透镜100透射后形成第一图像信息，其中来自显示屏A10的出射光线为偏振光；

外界光线依次透过具有所述第二偏振分光膜210的所述曲面透镜200、和具有所述第一偏振分光膜110的所述平面透镜100后形成第二图像信息；

所述第一图像信息和第二图像信息形成混合图像信息。

需要说明的是，所述显示屏A10显示第一图像，携带第一图像信息的显示屏A10的出射光线经过所述光学模组后在人眼中交汇，从而形成所述第一图像信息；同样的，携带第二图像信息的外界光线经过所述光学模组后在人眼中交汇，从而形成所述第二图像信息；在增强现实图像显示时，所述第一图像信息和第二图像信息在人眼中形成混合图像信息。在本申请一些实施例中，所述光学模组仅利用一曲面透镜200以及一平面透镜100，即可实现增强现实图像显示。

另外，所述第一偏振分光膜110用于透过所述偏振光中与所述第一偏振分光膜110偏振方向平行的偏振光分量，并且反射所述偏振光中与所述第一偏振分光膜110偏振方向垂直的偏振光分量，其中，被所述第一偏振分光膜110反射的光线经过具有所述第二偏振分光膜210的曲面透镜200的反射并经过具有所述第一偏振分光膜110的所述平面透镜100的透射后进入人眼，形成所述第一图像信息；在实际应用中，可以将所述第一偏振分光膜110的偏振方向设置为与所述偏振光中能量占比较大的偏振光的偏振方向垂直的方向，以实现对所述偏振光中能量占比较大的偏振光的反射和利用，增加所述显示屏A10出射光线的光能利用率。

在本申请的一些实施例中，参考图2，所述偏振光为椭圆偏振光，所述椭圆偏振光的偏振方向包括第一偏振方向和第二偏振方向。

需要说明的是，图2为显示屏A10发射的椭圆偏振光的偏振状态的示意图，其中，以显示屏A10的短边方向为横轴(X)，长边方向为纵轴(Y)，以垂直于显示屏A10的方向为Z轴建立坐标系O-XYZ。

如果定义所述第二偏振方向为所述显示屏A10出射的椭圆偏振光中能量占比较大的偏振光的偏振方向；定义所述第一偏振方向的偏振光为所述显示屏A10出射的椭圆偏振光中能量占比最小的偏振光的偏振方向；那么所述第一偏振分光膜的偏振方向与所述椭圆偏振光的第一偏振方向的差值小于预设阈值，以实现在显示屏A10出射光线第一次到达所述第一偏振分光膜110时，被所述第一偏振分光膜110反射所述椭圆偏振光中能量占比较大的偏振光，从而提高所述显示屏A10出射光线的光能利用率的目的。

一般地，在所述显示屏A10出射的椭圆偏振光中，P向偏振光的能量占比最高(一般超过80％)，S向偏振光的能量占比最小。因此，在本申请的一个具体实施例中，所述第一偏振方向为S向，所述第二偏振方向为P向。仍然参考图2，标号P表示P向偏振方向，S表示S向偏振方向，P向偏振方向位于入射光、反射光、折射光和法线组成的平面内，S向偏振方向位于垂直于入射光、反射光、折射光和法线组成的平面内。在主流的手机屏幕中，其出射光线均为椭圆偏振光，因此在本申请的一个实施例中，可以利用手机屏幕作为所述增强现实眼镜中的显示屏A10。

在本申请的一些实施例中，所述预设阈值的取值范围为0°-5°，包括端点值。

需要说明的是，所述预设阈值的取值越小，所述显示屏A10的出射光线被所述第一偏振分光膜110的反射部分的能量占比越高，也就意味着最终在人眼中形成第一图像信息的光线的能量占比越高。因此，所述预设阈值的取值为0°，以使所述第一偏振分光膜用于全透过所述第一偏振方向的偏振光、并反射所述第二偏振方向的偏振光。但在本申请的其他实施例中，所述预设阈值的取值还可以为1°、2°、3°等。本申请对所述预设阈值的具体取值并不做限定，具体根据工艺水平以及设备要求而定。

在本申请的一些实施例中，所述第二偏振分光膜210的偏振方向与所述第一偏振分光膜110的偏振方向成第一预设角度，所述第一预设角度的取值范围为45°±5°，包括端点值。

所述第一偏振分光膜110、第二偏振分光膜210的偏振方向和显示屏A10的偏振状态分别参考图3(a)、图3(b)和图2；从图3(a)、图3(b)和图2中可以看出，当所述显示屏A10的P向偏振方向与横轴方向所成角度为45°时，参考图3(a)，所述第一偏振分光膜110的偏振方向与所述显示屏A10的S向偏振方向几乎平行(所述第一偏振分光膜110的偏振方向与所述显示屏A10的S向偏振方向的差值小于预设阈值)，以实现透过S向偏振光，并反射P向偏振光的功能；参考图3(b)，所述第二偏振分光膜210的偏振方向与所述第一偏振分光膜110的偏振方向成第一预设角度。

一些实施例中，所述显示屏A10的出射光线的光路如图4所示，所述显示屏A10的出射光线中的P向偏振光被所述第一偏振分光膜110反射到达所述第二偏振分光膜210表面，由于所述第二偏振分光膜210的偏振方向与所述第一偏振分光膜110的偏振方向成第一预设角度，因此被反射的P向偏振光经过所述第二偏振分光膜210的反射后成为P向偏振光和S向偏振光能量占比均大约为50％的反射光线，该反射光线的S向偏振光透过所述第一偏振分光膜110进入人眼后形成所述第一图像信息。由于在所述显示屏A10的出射光线中，P向偏振光的能量占出射光线总能量的80％以上，对P向偏振光的充分利用使得所述光学模组可以提升所述显示屏A10的出射光线的能量利用率，降低了出现由于外界光线过强而造成的混合图像信息显示效果不佳问题的概率。

在本申请的一些实施例中，当所述显示屏A10出射的光线为线偏振光，也就是说所述偏振光为线偏振光时，所述第一偏振分光膜110用于使所述平面透镜100至少透过所述偏振光的50％，并反射剩余偏振光形成反射光，所述第二偏振分光膜210用于至少反射所述反射光的50％，同样能够实现利用所述光学模组实现增强现实图像显示的功能。

在本申请的一些实施例中，任然参考图1，所述平面透镜100与所述显示屏A10成第二预设角度设置；所述第二预设角度的取值范围为45°±5°，包括端点值。

在本申请的一些实施例中，所述第一预设角度的取值为45°。

在本实施例中，当所述预设阈值的取值为0°时，所述第一预设角度的取值为45°，这样可以保证被所述第一偏振分光膜110反射的P向偏振光经过所述第二偏振分光膜210的反射后成为P向偏振光和S向偏振光能量占比均为50％的反射光线，以进一步提升所述显示屏A10的出射光线的能量利用率。

需要说明的是，所述第二预设角度能够保证所述平面透镜100表面的第一偏振分光膜110能够向所述曲面透镜200反射所述显示屏A10的出射光线即可。在本申请的一个实施例中，所述第二预设角度的取值范围为45°±5°，包括端点值。在本申请的一个实施例中，所述第二预设角度优选为45°。但在本申请的其他实施例中，所述第二预设角度的取值还可以为44°、43°、46°或47°。本申请对所述第二预设角度的具体取值并不做限定，具体视实际情况而定。

在本申请的一些实施例中，仍以图1为例，所述曲面透镜200具有第一弧面和第二弧面，所述第一弧面和第二弧面均凹向所述平面透镜100，所述第二弧面表面设置有所述第二偏振分光膜210，外界光线依次透过所述第一弧面和第二弧面到达所述平面透镜100。

所述曲面透镜200的光轴平行于参考平面P1，所述显示屏A10平行于所述参考平面P1，因此，所述平面透镜100与所述参考平面P1所成角度也为第二预设角度。

在本实施例中，同上述，所述光学模组具有两个光路，分别是显示屏A10出射光线光路和外界光线光路；其中，显示屏A10出射光线光路为：第一偏振分光膜110-第二偏振分光膜210-第一偏振分光膜110-平面透镜100-人眼；外界光线光路为：曲面透镜200-第二偏振分光膜210-第一偏振分光膜110-平面透镜100-人眼。

在本申请的一些实施例中，所述第一弧面的曲率半径与所述第二弧面的曲率半径满足预设公式；

所述预设公式为：|R₁-R₂|≤σ，其中，R₁表示所述第一弧面的曲率半径，R₂表示所述第二弧面的曲率半径，σ表示预设误差，0mm≤σ≤3mm。

所述第一弧面和第二弧面的曲率半径只要能够满足反射P向偏振光和透射外界光线即可，所述第一弧面和第二弧面的曲率半径的差值越小，则所述曲面透镜200的制作工艺越简单，那么优选的，所述第一弧面的曲率半径等于所述第二弧面的曲率半径，更优选的，所述第一弧面和第二弧面均为球面的一部分。同时，可以采用透明塑料材料制备所述曲面透镜200，以便于所述曲面透镜200的塑型。

在本申请的一些实施例中，所述光学膜组还包括二分之一波片，所述二分之一波片设置在来自所述显示屏A10的出射光线至所述第一偏振分光膜110的光路上，所述出射光线经过所述二分之一波片之后到达具有所述第一偏振分光膜110的平面透镜100上。

需要说明的是，如上所述，可以利用不同的手机屏幕作为所述显示屏A10，但是由于不同型号、品牌的手机屏幕的尺寸不一，可能会导致所述光学模组对某些尺寸的手机屏幕的适用性差的问题，因此在本申请一些实施例中，通过设置所述二分之一波片使得所述显示屏A10的出射光线在经过所述二分之一波片后具有一定的相位差，从而使得所述光学模组可以很好地适用于不同尺寸的显示屏A10，增加所述光学模组的普适性。

在本申请的一些实施例中，如图5所示，所述光学模组还包括：减反射膜120；

所述减反射膜120设置于所述平面透镜100背离所述曲面透镜200一侧表面。

在所述平面透镜100背离所述曲面透镜200一侧表面设置所述减反射膜120的目的是减少所述平面透镜100朝向人眼一侧表面的反射光，从而避免所述平面透镜100朝向人眼一侧表面产生强反射，而给用户体验带来不良影响的情况。

参考图6，图6为本申请一些实施例提所述光学模组的设计原理示意图，图6中的标号300表示人眼；所述平面透镜100与所述参考平面P1具有45°的夹角β。曲面透镜200的光轴与参考平面P1平行，图6中，曲面透镜200的光轴位于参考平面P1内。这样，便于曲面透镜200和平面透镜100的相对位置的固定安装。

当进行增强现实显示时，所述显示屏A10与所述光学模组的相对位置固定，所述显示屏A10平行于所述参考面P1。在三维直角坐标系O-XYZ中，所述参考平面P1平行于XY平面，Z轴正向为平面透镜100指向所述显示屏A10的方向。

设定所述显示屏A10的长度为L，即显示屏A10在Y轴方向的长度。Y轴垂直于所述曲面透镜200的光轴。设定单眼视场角为α；所述曲面透镜200的光轴与所述第一偏振分光膜110的交点到所述显示屏A10的距离为d₃，所述交点到所述第一弧面(所述曲面透镜200背离所述平面透镜100一侧表面)的距离为d₂。设定所述平面透镜100背离所述曲面透镜200一侧表面到人眼300的距离为d₁。

单眼视场角为α为已知参数，可以根据需求设定。如可以设定α＝45°。L、α、d₃以及d₂满足公式(1)，公式(1)为：

设定所述光学模组的有效焦距为EFL，则有效焦距为EFL如公式(2)所示，公式(2)为：

EFL＝d₃+d₂ (2)

基于上述公式(1)和所述公式(2)布置曲面透镜200、平面透镜100以及所述显示屏A10的相对位置关系，便于三者相对位置关系的布局。

需要说明的是，上述公式(1)和所述公式(2)中等式两边不是绝对的相等关系，允许一定的误差，即所述公式(1)可用公式(3)表示，所述公式(2)可用公式(4)表示。其中，公式(3)和公式(4)分别为：

EFL≈d₃+d₂ (4)

当采用所述显示屏A10长度为104mm时，单眼显示区域长度为52mm。定义单眼视场角α＝45°，d₁＝52mm，d₂＝30mm，d₃＝32mm。可以计算得出EFL＝62mm。所述曲面透镜200的尺寸为64mm×46mm×2mm，也就是说，曲面透镜200在Y轴上的长度为64mm，在Z轴的宽度为46mm，在X轴的厚度为2mm；所述平面透镜100的尺寸为64mm×63mm×2mm，也就是说，所述平面透镜100在Y轴上的长度为64mm，在Z轴的宽度为63mm，在X轴的厚度为2mm。设置所述第一弧面以及第二弧面的曲率半径均为124mm。

相应的，本申请一些实施例还提供了一种增强现实眼镜，如图7所示，包括：头戴设备主体A21，所述头戴设备主体A21用于将所述增强现实眼镜固定在用户的头部预设位置；所述头戴设备主体具有用于放置显示屏A10的固定装置A24；

设置在所述头戴设备主体上的第一镜片模组A22以及第二镜片模组A23，所述第一镜片模组A22以及所述第二镜片模组A23均包括如上述任一实施例所述的光学模组；

其中，在进行增强现实图像显示时，所述显示屏A10分为两个显示区域，以进行分屏显示，两个显示区域均显示第一图像；一个显示区域出射的所述出射光线用于入射至所述第一镜片模组A22的光学模组，另一个显示区域出射的所述出射光线用于入射所述第二镜片模组A23的光学模组。

如上述实施例所述，两个所述光学模组的曲面透镜200均垂直于一参考面，所述曲面透镜200的光轴平行于所述参考面，所述显示屏A10平行于所述参考面，且朝向所述光轴设置，以便于部件之间的相对位置的安装固定。

图7在AA’上的切面图如图6所示，该切面图中第一镜片模组A22的光学模组中曲面透镜200、平面透镜100以及显示屏A10的相对位置关系参考图6所示，在此不再赘述。

综上所述，本申请一些实施例提供了一种光学模组及增强显示眼镜，其中，所述光学模组包括曲面透镜200和平面透镜100，在实际应用过程中，显示屏A10的出射光线经过所述第一偏振分光膜110和第二偏振分光膜210的反射后，透过所述第一偏振分光膜110及所述平面透镜100形成第一图像信息；外界光线依次透过所述曲面透镜200、所述第二偏振分光膜210、所述第一偏振分光膜110及所述平面透镜100形成第二图像信息，在利用所述光学模组进行增强现实显示时，所述第一图像信息和第二图像信息形成混合图像信息；可见，所述光学模组仅利用一曲面透镜200以及一平面透镜100，即可实现增强现实图像显示。

本申请一些实施例中，所述平面透镜100可以通过所述第一偏振分光膜110实现对显示屏出射光线中能量占比较大的偏振方向的偏振光的反射和利用，从而增加了显示屏A10出射光线的光能利用率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。