本发明涉及增强现实技术领域，具体而言，涉及一种增强现实显示光学模组及系统。
背景技术：
增强现实(ar，augmentedreality)是利用虚拟物体或信息对真实场景进行现实增强的技术，广泛应用于科研、军事、工业、游戏、视频、教育等各领域。目前主流的增强现实显示系统，普遍采用微型图像显示器作为图像源，并配合传统显示光学模组(半反半透平面镜与传统目视光学系统)实现增强显示。受限于现有的技术和工艺水平，微型图像显示器的分辨率很难提高。并且，传统显示光学模组的显示视场与显示光学模组的体积密切相关。增大显示视场，传统显示光学模组的体积会随之剧增。因此，目前主流的增强现实显示系统具有分辨率低，以及视场小或体积大的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大视场高分辨率的紧凑型的增强现实显示光学模组及系统，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明较佳实施例提供一种增强现实显示光学模组，包括电控液晶偏振元件、偏振分光元件、第一反射放大元件、相位延迟片、第一反射元件、第二反射元件、第三反射元件和第二反射放大元件；
图像显示装置依次输出待显示图像的第一束子图像光线和第二束子图像光线，其中，第一束子图像光线和第二束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束，每幅待显示图像包括第一待显示子图像和第二待显示子图像，所述第一束子图像光线与第一待显示子图像对应，所述第二束子图像光线与第二待显示子图像对应；
所述电控液晶偏振元件设置于图像显示装置的出射光路上，用于在施加控制电压后，将入射的第一线性偏振方向的第二束子图像光线或第一束子图像光线的偏振方向改为第二线性偏振方向，所述第二线性偏振方向和第一线性偏振方向正交；
所述偏振分光元件设置于所述电控液晶偏振元件的出射光路上，用于对第一线性偏振方向的子图像光线进行透射及对第二线性偏振方向的子图像光线进行反射；
所述第一反射放大元件设置于所述偏振分光元件的第一出射光路上，为偏振敏感型反射会聚元件，用于对透过所述偏振分光元件的第一线性偏振方向的第一束子图像光线或第二束子图像光线进行反射会聚，以在人眼形成第一待显示子图像或第二待显示子图像；
所述相位延迟片设置于所述偏振分光元件的第二出射光路和第一反射元件之间，用于将被所述偏振分光元件反射的第二线性偏振方向的子图像光线的偏振方向转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向，以及将从第一反射元件反射回来的椭圆偏振方向或圆偏振方向的子图像光线转换为非第二线性偏振方向；
所述第二反射元件和第三反射元件依次设置于所述偏振分光元件的第三出射光路上，用于将透过所述偏振分光元件的第一线性偏振方向子图像光线反射至所述第二反射放大元件；
所述第二反射放大元件设置于所述第三反射元件的出射光路上，为偏振敏感型反射会聚元件，用于对被所述第三反射元件反射的第一线性偏振方向的第二束子图像光线或第一束子图像光线进行反射会聚，以在人眼形成第二待显示子图像或第一待显示子图像；
所述图像显示装置输出完待显示图像的第一束子图像光线和第二束子图像光线后，在人眼形成的所述第一待显示子图像和第二待显示子图像能在用户视觉上被拼接为所述待显示图像；
真实世界环境光线穿过所述增强现实显示光学模组进入人眼形成环境图像。
可选地，所述第一反射元件、第二反射元件和第三反射元件为平面反射元件。
可选地，所述第一反射元件和第三反射元件为平面反射元件，所述第二反射元件为凹面反射元件。
可选地，所述第一反射元件和第三反射元件为凹面反射元件，所述第二反射元件为平面反射元件。
可选地，所述第一反射元件为平面反射元件，所述第二反射元件和第三反射元件为凹面反射元件。
可选地，所述第一反射放大元件和第二反射放大元件的为平面反射衍射元件。
可选地，所述第一反射放大元件和第二反射放大元件的为凹面反射会聚元件。
可选地，所述增强现实显示光学模组还包括偏振转换元件；
所述偏振转换元件设置于所述偏振分光元件和第二反射元件之间，或设置于所述第二反射元件和第三反射元件之间，或设置于所述第三反射元件和第二反射放大元件之间，或设置于偏振分光元件和第一反射放大元件之间。
可选地，所述相位延迟片为1/4玻片。
本发明另一较佳实施例还提供一种增强现实显示系统，包括图像显示装置及上述的增强现实显示光学模组。
本发明实施例提供的增强现实显示光学模组及系统通过对电控液晶偏振元件、第一反射放大元件、第二反射放大元件、相位延迟片和反射元件的巧妙集成与设计，依次通过第一反射放大元件在人眼形成第一待显示子图像和第二反射放大元件在人眼形成第二待显示子图像，利用视觉残留效应，使在人眼形成的第一待显示子图像和第二待显示子图像在用户视觉上被拼接为所述待显示图像。因此，该增强现实显示光学模组及系统的视场角等于第一反射放大元件和第二反射放大元件的视场角之和。并且，第一待显示子图像和第二待显示子图像的分辨率可以相同且等于待显示图像的分辨率。故，该增强现实显示光学模组及系统具有大视场图像显示的同时具有高分辨率，且相对于具有传统显示光学模组的增强现实显示光学模组及系统体积较小。同时，该增强现实显示光学模组及系统基于反射成像原理的成像方法使得反射会聚后的图像无色差，且基于细光束的放大成像使得放大后的图像的中心和边缘具有一致清晰度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种增强现实显示系统的结构示意图。
图2为图1所示的增强现实显示系统显示待显示图像的一种光路示意图。
图3为图1所示的增强现实显示系统显示待显示图像的另一种光路示意图。
图4为图1所示的增强现实显示系统形成的第一待显示子图像和第二待显示子图像在用户视觉上被拼接为待显示图像示意图。
图5为另一实施方式中增强现实显示系统的结构示意图。
图6为另一实施方式中增强现实显示系统的结构示意图。
图7为另一实施方式中增强现实显示系统的结构示意图。
图8为另一实施方式中增强现实显示系统的结构示意图。
图9为另一实施方式中增强现实显示系统的结构示意图。
图标:1-增强现实显示系统；10-增强现实显示光学模组；50-图像显示装置；11-电控液晶偏振元件；13-偏振分光元件；15-第一反射放大元件；17-相位延迟片；19-第一反射元件；21-第二反射元件；23-第三反射元件；25-第二反射放大元件；29-偏振转换元件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。
请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种增强现实显示系统1的结构示意图。该增强现实显示系统1可以应用于hmd(headmountdisplay，头戴式可视设备)、智能眼镜等增强现实设备，在此不做限制。该增强现实显示系统1包括增强现实显示光学模组10和图像显示装置50。该增强现实显示光学模组10包括电控液晶偏振元件11、偏振分光元件13、第一反射放大元件15、相位延迟片17、第一反射元件19、第二反射元件21、第三反射元件23和第二反射放大元件25。
在进行增强显示时，增强现实显示光学模组10需要与图像显示装置50配合，构成增强现实显示系统1。图像显示装置50用于依次输出待显示图像的第一束子图像光线和第二束子图像光线，且第一束子图像光线和第二束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。其中，待显示图像为增强现实显示系统1显示的虚拟图像，即对真实世界环境的人为附加信息的虚拟显示。每幅待显示图像包括第一待显示子图像和第二待显示子图像。为了提高显示效果，第一待显示子图像和第二待显示子图像的分辨率可以相同。而第一待显示子图像和第二待显示子图像的大小可以相同也可以不同。所述第一束子图像光线与第一待显示子图像对应，即所述图像显示装置50根据所述第一待显示子图像输出所述第一束子图像光线。所述第二束子图像光线与第二待显示子图像对应，即所述图像显示装置50根据所述第二待显示子图像输出所述第二束子图像光线。在实际实施时，该图像显示装置50可以是由透射式或反射式locs显示源和能够输出准直平行光照明的照明光源组件共同组成，还可以是由光纤扫描成像系统和准直系统共同组成。本实施例中，该图像显示装置50是由透射式locs显示源和能够输出准直平行光照明的照明光源组件共同组成。
电控液晶偏振元件11设置于图像显示装置50的出射光路上。电控液晶偏振元件11用于在施加控制电压后，对入射的偏振光束(第一束子图像光线或第二束子图像光线)的相位进行改变，将第一束子图像光线或第二束子图像光线的偏振方向改为第二线性偏振方向。当电控液晶偏振元件11在施加控制电压后，对入射的偏振光束的相位改变π相位时，所述电控液晶偏振元件11等效于1/2玻片，则第一线性偏振方向和第二线性偏振方向正交。也就是说，第一束子图像光线和第二束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束，第一束子图像光线或第二束子图像光线经过电控液晶偏振元件11进行相位改变后的子图像光线为具有第二线性偏振方向的准直平行光束。其中，第一线性偏振方向和第二线性偏振方向正交。
所述偏振分光元件13设置于所述电控液晶偏振元件11的出射光路上，用于对第一线性偏振方向的子图像光线进行透射及对第二线性偏振方向的子图像光线进行反射。
所述第一反射放大元件15设置于所述偏振分光元件13的第一出射光路上，为偏振敏感型反射会聚元件。所述第一反射放大元件15用于对透过所述偏振分光元件13的第一线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚，以在人眼形成待显示子图像。
所述相位延迟片17设置于所述偏振分光元件13的第二出射光路和第一反射元件19之间。所述相位延迟片17用于将被所述偏振分光元件13反射的第二线性偏振方向的子图像光线的偏振方向转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向，以及将从第一反射元件19反射回来的椭圆偏振方向或圆偏振方向的子图像光线转换为非第二线性偏振方向。其中，非第二线性偏振方向包括第一线性偏振方向。当相位延迟片17为1/4玻片时，相位延迟片17用于将第二线性偏振方向的子图像光线的偏振方向转换为圆偏振方向，及将从反射元件15反射回来的圆偏振方向的子图像光线完全转换为第一线性偏振方向。
所述第一反射元件19用于将从相位延迟片17传来的具有椭圆偏振方向或圆偏振方向的子图像光线向着相位延迟片17的方向返回传输。
所述第二反射元件21设置于所述偏振分光元件13的第三出射光路，用于将透过所述偏振分光元件13的第一线性偏振方向子图像光线反射至所述第三反射元件23。
所述第三反射元件23设置于所述第二反射元件21的出射光路上，用于对被所述第二反射元件21反射的第一线性偏振方向的子图像光线进行反射至所述第二反射放大元件25。
可选地，本实施例中，第一反射元件19、第二反射元件21和第三反射元件23为平面反射元件，只具有光路转折的功能，对从偏振分光元件13传来的子图像光线的尺寸无放大或缩小功能。
所述第二反射放大元件25设置于所述第三反射元件23的出射光路上，为偏振敏感型反射会聚元件。所述第二反射放大元件25用于对被所述第三反射元件23反射的第一线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚，以在人眼形成待显示子图像。
可选地，在本实施例中，所述第一反射放大元件15和第二反射放大元件25为平面反射衍射元件。
当电控液晶偏振元件11用于在施加控制电压后，对入射的第二束子图像光线的相位进行改变时，本实施方式提供的增强现实显示系统1进行一次虚拟图像显示的过程如下：将一幅待显示图像在水平方向分为两幅待显示子图像，分别记为第一待显示子图像和第二待显示子图像。如图2所示，图像显示装置50根据第一待显示子图像输出第一束子图像光线，第一束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。对电控液晶偏振元件11不施加控制电压，具有第一线性偏振方向的第一束子图像光线透过所述偏振分光元件13后被第一反射放大元件15反射会聚，以在人眼形成第一待显示子图像。图像显示装置50根据第二待显示子图像输出第二束子图像光线，第二束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。对电控液晶偏振元件11施加控制电压，具有第一线性偏振方向的第二束子图像光线被电控液晶偏振元件11转换为具有第二线性偏振方向的第二束子图像光线。具有第二线性偏振方向的第二束子图像光线被所述偏振分光元件13反射至相位延迟片17。传至相位延迟片17的具有第二线性偏振方向的第二束子图像光线的偏振方向被相位延迟片17转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向后继续向第一反射元件19传输，被第一反射元件19反向后再次传输至相位延迟片17。从第一反射元件19反射回来的椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线被相位延迟片17转换为非第二线性偏振方向的第二束子图像光线。非第二线性偏振方向的第二束子图像光线中的第一线性偏振方向的第二束子图像光线透过所述偏振分光元件13后、依次被第二反射元件21和第三反射元件23反射至所述第二反射放大元件25，被所述第二反射放大元件25反射会聚，以在人眼形成第二待显示子图像。
当电控液晶偏振元件11用于在施加控制电压后，对入射的第一束子图像光线的相位进行改变时，本实施方式提供的增强现实显示系统1进行一次虚拟图像显示的过程如下：将一幅待显示图像在水平方向分为两幅待显示子图像，分别记为第一待显示子图像和第二待显示子图像。如图3所示，图像显示装置50根据第一待显示子图像输出第一束子图像光线，第一束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。对电控液晶偏振元件11施加控制电压，具有第一线性偏振方向的第一束子图像光线被电控液晶偏振元件11转换为具有第二线性偏振方向的第一束子图像光线。具有第二线性偏振方向的第一束子图像光线被所述偏振分光元件13反射至相位延迟片17。传至相位延迟片17的具有第二线性偏振方向的第一束子图像光线的偏振方向被相位延迟片17转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向后继续向第一反射元件19传输，被第一反射元件19反向后再次传输至相位延迟片17。从第一反射元件19反射回来的椭圆偏振方向或圆偏振方向的第一束子图像光线被相位延迟片17转换为非第二线性偏振方向的第一束子图像光线。非第二线性偏振方向的第一束子图像光线中的第一线性偏振方向的第一束子图像光线透过所述偏振分光元件13后、依次被第二反射元件21和第三反射元件23反射至所述第二反射放大元件25，被所述第二反射放大元件25反射会聚，以在人眼形成第一待显示子图像。图像显示装置50根据第二待显示子图像输出第二束子图像光线，第二束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。对电控液晶偏振元件11不施加控制电压，具有第一线性偏振方向的第二束子图像光线透过所述偏振分光元件13后被第一反射放大元件15反射会聚，以在人眼形成第二待显示子图像。
在上述过程中，在人眼形成第一待显示子图像和第二待显示子图像的过程为视网膜成像，故在整个显示视场范围内可以清晰成像。可以通过调整所述图像显示装置50输出每束子图像光线的频率以及输出每幅待显示图像的时间间隔，并配合调整电控液晶偏振元件11的工作状态等，利用视觉残留原理，就可以使在人眼分别形成的第一待显示子图像和第二待显示子图像在用户视觉上被拼接为所述待显示图像，如图4所示。
真实世界环境光线穿过所述增强现实显示光学模组10进入人眼形成环境图像。
本发明实施方式提供的增强现实显示光学模组10通过对电控液晶偏振元件11、偏振分光元件13、第一反射放大元件15、相位延迟片17、第一反射元件19、第二反射元件21、第三反射元件23和第二反射放大元件25的巧妙集成与设计，在人眼形成第一待显示子图像和第二待显示子图像，利用视觉残留效应，使在人眼形成的第一待显示子图像和第二待显示子图像在用户视觉上被拼接为所述待显示图像。因此，该增强现实显示光学模组10的视场角等于第一反射放大元件15和第二反射放大元件25的视场角之和。并且，第一待显示子图像和第二待显示子图像的分辨率可以相同且等于待显示图像的分辨率。故，该增强现实显示光学模组10具有大视场图像显示的同时具有高分辨率，且相对于具有传统显示光学模组的增强现实显示光学模组体积较小。同时，该增强现实显示光学模组10基于反射成像原理的成像方法使得反射会聚后的图像无色差，且基于细光束的放大成像使得放大后的图像的中心和边缘具有一致清晰度。
基于上述发明构思，增强现实显示系统1的具体结构还可以是，但不限于如图5至图9所示。由于图1所示的增强现实显示系统1包括图2和图3所示的两种类似工作原理，并且对于增强现实显示光学模组10而言图2和图3所示的工作原理相同。因此，为了节约篇幅，在图7和图9的描述中，仅以图2所示的工作原理为例进行说明。应理解，为了便于描述，图1至图9所示的增强现实显示光学模组10均以单目的形式呈现。本领域技术人员可以根据图1至图9所示的结构推出增强现实显示光学模组10为双目时的结构。
请参阅图5，图5为另一实施方式中增强现实显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：第二反射元件21不是平面反射元件，而是凹面反射元件，且第二反射放大元件25被设置为对入射的发散光束进行反射会聚的功能。具体实施时，第二反射元件21的反射工作面可以为凹面反射曲面或设置为具有凹面反射等效功能的反射衍射平面。可选地，在本实施方式中，第一反射元件19和第二反射元件21的反射工作面为凹面反射曲面。
如图6所示，图6为另一实施方式中增强现实显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：第一反射元件19和第三反射元件23为凹面反射元件，且第二反射放大元件25被设置为对入射的发散光束进行反射会聚的功能。同理，具体实施时，第一反射元件19的反射工作面可以为凹面反射曲面或设置为具有凹面反射等效功能的反射衍射平面。可选地，在本实施方式中，第一反射元件19的反射工作面为凹面反射曲面。
可以看出，对于图5和图6所示的第三反射元件23相对图1所示的第三反射元件23较小。用户佩戴该增强现实显示系统1后，第三反射元件23靠近用户鼻部，因此第三反射元件23越小，对视野遮挡相对越小，佩戴越舒适。因此，对于图5和图6所示的增强现实显示系统1相较于图1所示的增强现实显示系统1佩戴更舒适，视野更大。
请参阅图7，图7为另一实施方式中增强现实显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：第二反射元件21和第三反射元件23不是平面反射元件，而是凹面反射元件。同理，具体实施时，第二反射元件21和第三反射元件23的反射工作面可以为凹面反射曲面或设置为具有凹面反射等效功能的反射衍射平面。可选地，在本实施方式中，第二反射元件21和第三反射元件23的反射工作面为凹面反射曲面。在具体实施时，可以设计第二反射元件21和第三反射元件23的焦距相同，并且使第二反射元件21和第三反射元件23之间沿着光轴的距离为两倍的焦距值。如图7所示，第三反射元件23的焦距为f5，第二反射元件21和第三反射元件23之间沿着光轴的距离为l54，则l54＝2*f3。此种设计可以使得经第二反射元件21和第三反射元件23反射转换后的第二束子图像光线与图像显示装置50输出的第二束子图像光线具有同等的图像分辨率一致。且当第一束子图像光线和第二束子图像光线尺寸一致时，此种设计还可以使第一反射放大元件15的反射衍射结构与第二反射放大元件25的反射衍射结构完全相同，能够降低各元件的设计、加工成本及装配难度，更利于增强现实显示光学模组10的批量化生产。当然，在其他实施方式中，第二反射元件21和第三反射元件23的焦距也可以不相同，在此不作限制。
如图8所示，图8为另一实施方式中增强现实显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：第一反射放大元件15和第二反射放大元件25为凹面反射会聚元件。
请参阅图9，图9为另一实施方式中增强现实显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：该增强现实显示光学模组10还包括偏振转换元件29。可选地，在本实施方式中，所述偏振转换元件29可以设置在偏振分光元件13和第二反射元件21之间。显而易见，在其它实施方式中，所述偏振转换元件29还可以设置在第二反射元件21和第三反射元件23之间，或设置在第三反射元件23和第二反射放大元件25之间，或设置在偏振分光元件13和第一反射放大元件15之间等。具有线性偏振方向的子图像光线每经过偏振转换元件29能够增加π相位延迟，从而能够使得子图像光线的偏振方向转换为与之正交的偏振方向。例如，在本实施方式中，透过所述偏振分光元件13的第一线性偏振方向的第二束子图像光线经过偏振转换元件29后，其偏振方向被偏振转换元件29转换为第二线性偏振方向，该第二线性偏振方向的第二束子图像光线依次被所述第二反射元件21和第三反射元件23反射后传输至所述第二反射放大元件25，被所述第二反射放大元件25反射会聚，以在人眼形成第二待显示子图像。
本发明实施方式提供的增强现实显示光学模组10及增强现实显示系统1通过对电控液晶偏振元件11、偏振分光元件13、第一反射放大元件15、相位延迟片17、第一反射元件19、第二反射元件21、第三反射元件23和第二反射放大元件25的巧妙集成与设计，在人眼形成第一待显示子图像和第二待显示子图像，利用视觉残留效应，使在人眼形成的第一待显示子图像和第二待显示子图像在用户视觉上被拼接为所述待显示图像。因此，该增强现实显示光学模组10及增强现实显示系统1的视场角等于第一反射放大元件15和第二反射放大元件25的视场角之和。并且，第一待显示子图像和第二待显示子图像的分辨率可以相同且等于待显示图像的分辨率。故，该增强现实显示光学模组10及增强现实显示系统1具有大视场图像显示的同时具有高分辨率，且相对于具有传统显示光学模组的增强现实显示光学模组及系统体积较小。同时，该增强现实显示光学模组10及增强现实显示系统1基于反射成像原理的成像方法使得反射会聚后的图像无色差，且基于细光束的放大成像使得放大后的图像的中心和边缘具有一致清晰度。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。