一种增强现实光学显示系统的制作方法

本发明涉及增强现实技术领域，特别是涉及一种增强现实光学显示系统。

背景技术：

增强现实（AR, Augmented Reality）领域核心技术之一是穿透式光学显示系统，它可以使计算机生成的图像叠加在用户的真实视觉上，是使虚拟图像和真实图像无缝融合。数字世界和真实世界的结合，将带给用户全新的体验。目前AR技术已广泛应用在游戏、零售、教育、工业以及医疗等领域。

目前，增强现实技术通常采用穿透式光学显示方式，包括有全息光栅、反射波导、普通反射棱镜和自由曲面棱镜等方案。这些方案普遍存在像质较差和显示泄露的问题。另外，对于近视用户来说，这些光学系统还额外添加用户的近视镜片，增加了系统复杂度，降低了佩戴体验。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的不足，本实用新型目的在于提供一种增强现实光学显示系统，采用曼金折反射系统，再结合特定补偿镜，以高度集成化的方案，控制了虚拟数字影像的成像距离，提高了虚拟数字影像的画质，同时对外界透视真实光场呈现一定的光焦度，保证了近视用户同时看清数字影像和真实世界。

为实现上述目的，本发明提供的增强现实光学显示系统，包括光源、第一光学结构、第二光学结构、第三光学结构，以及第四光学结构，其特征在于，

所述第一光学结构，其对光源图像的光进行矫正场曲和畸变处理；

所述第二光学结构，其将所述入射光变为圆偏振光反射到所述第三光学结构，并将接收的第二反射光透射到人眼；

所述第三光学结构，其接收所述圆偏振光，并将第二反射光反射到所述第二光学结构，将泄露光透射到所述第四光学结构；

所述第四光学结构，其对所述泄露光进行吸收，避免用户观看内容的隐私暴露问题，并通消除空气和介质表面的反射损失，减少了对用户观察外界亮度的影响。

进一步地，所述第一光学结构，包括，第一光学镜片，在所述第一光学镜片的上、下表面，分别镀有增透光学膜。

进一步地，所述第二光学结构，包括，第二光学板，在所述第二光学板的上表面，从最底面依次贴合有吸收型线偏振膜、偏振反射膜和第一四分之一波片；在所述第二光学板的下表面贴附或镀有增透光学膜。

进一步地，所述第二光学板为薄光学板、两面面型为：平面、球面、非球面或自由曲面。

进一步地，其特征在于，

所述吸收型线偏振膜用于吸收第一偏振光；

所述偏振反射膜用于反射第一偏振光；

所述第一四分之一波片将第一偏振光变为圆偏振光；

所述第一偏振光为S光或P光。

进一步地，所述第三光学结构，包括，曼金反射镜、补偿镜，所述曼金反射镜和所述补偿镜胶合在一起后形成S1、S2和S3表面；在所述S2表面上镀有部分透射部分反射膜；在S1和S3表面分别贴合或镀有增透光学膜。

进一步地，设置所述S1和S2表面面型，降低成像球差，从而提高像质，提高观看数字内容的清晰度；设计所述S1，S2和S3表面面型，实现对于反射所成虚像在特定位置，使得普通或近视用户裸眼就可以看清，同时对于透射光场无光焦度或者与近视用户镜片有相同的光焦度使得普通或近视用户裸眼即可看清透射的真实场景。

进一步地，所述第四光学结构，包括，第三光学板，在所述第三光学板的一侧贴合或镀有增透光学膜，在所述第三光学板的另一侧依次贴合线性偏光片、第二四分之一波片和增透光学膜。

进一步地，所述第一四分之一波片和第二四分之一波片的快慢轴方向一致，并与第一偏振光的偏正方向成45度角；所述线性偏光片的吸收轴方向为其第二偏振光偏振方向；所述第二偏振光为S光或P光。

更进一步地，所述光源与所述第一光学结构之间的距离通过手动或电动调节。

本实用新型增强现实光学显示系统，采用曼金折反射系统、特定补偿镜和显示系统微调装置，具有如下的技术效果：1）模组体积和重量减小；2）成像质量好，像差小；3）无显示漏光，保密性好；4）对近视用户，无需额外近视镜片。

本实用新型增强现实光学显示系统，曼金反射镜消球差，提高清晰度；曼金镜曲面设计，使数字虚像位置在近视用户的看清范围内；曼金镜的补偿镜设计，使得两者结合后，呈现特定的光焦度，使得整体对于透射光线起到近视用户近视镜片的作用,使得近视用户可以看清外界真实世界；通过特定光学部件，消除显示漏光；手动或电动调节显示系统距离场景的距离，来进一步调节虚像位置，满足近视用户长期使用需要调整的需求。

本实用新型其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本实用新型进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本实用新型实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本实用新型限制。在附图中：

图1为根据本实用新型增强现实光学显示系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在下文中，第一偏振光为S光，第二偏振光为P光；也可以第一偏振光为P光，第二偏振光为S光。

图1为根据本实用新型增强现实光学显示系统结构示意图，如图1所示，本实用新型增强现实光学显示系统，包括，光源1、第一光学结构2、第二光学结构3、第三光学结构4，以及第四光学结构5，其中，

光源1，为OLED或LED显示屏。

第一光学结构2，为场镜系统，其作用是对光源图像的光进行初步处理，矫正场曲和畸变

本实用新型第一光学结构2，包括，第一光镜片21，在第一光学镜片21的上、下表面，分别镀有增透光学膜22和23。

第二光学结构3，其将第一光学结构2的透射光变为圆偏振光305反射到第三光学结构4，并将第三光学结构4发出的第二反射光401变为第二偏振光投射到人眼。

本实用新型第二光学结构3包括，第二光学板31、吸收型线偏振膜32、偏振反射膜33、第一四分之一波片34，以及增透光学膜35；

第二光学板31为薄光学板，两面面型可以是平面、球面、非球面或自由曲面；

第二光学板31的上表面，从最底面依次贴合吸收型线偏振膜32、偏振反射膜33和第一四分之一波片34，第一四分之一波片34为宽波段四分之一波片；在第二光学板31的下表面贴附或镀有增透光学膜35；

吸收型线偏振膜32，是为了避免从下方来的外界环境光在偏振反射膜33上直接反射到人眼，造成图像干扰。吸收型线偏振膜32能够吸收掉第一偏振光。

第三光学结构4，其接收第二光学结构3发出的圆偏振光305，将第二反射光401反射到第二光学结构3，将泄露光501透射到第四光学结构5。

本实用新型第三光学结构4，包括，曼金反射镜42、补偿镜43，在曼金反射镜42的S1面上镀有部分透射部分反射膜；曼金反射镜42和补偿镜43胶合在一起；增透光学膜41和44分别位于S1、S3面上。

设置所述S1和S2表面面型，降低成像球差，从而提高像质，提高观看数字内容的清晰度；设计所述S1，S2和S3表面面型，实现对于反射所成虚像在特定位置，使得普通或近视用户裸眼就可以看清，同时对于透射光场无光焦度或者与近视用户镜片有相同的光焦度使得普通或近视用户裸眼即可看清透射的真实场景。

第四光学结构5，其用于对第三光学结构4透射的泄露光501进行吸收，避免了用户观看内容的隐私暴露问题，并通过消除空气和介质表面的反射损失，减少了对用户观察外界亮度的影响。本实用新型第四光学结构5，包括，第三光学板51、线性偏光片52、第二四分之一波片53，以及增透光学膜54和55，其中，

在第三光学板51的一侧贴合或镀有增透光学膜54；在第三光学板51的另一侧，依次贴合线性偏光片52、第二四分之一波片53和增透光学膜55。

合理设置第二四分之一波片53的快慢轴方向和线性偏光片52的吸收轴方向，可以实现对泄露光的吸收，同时对用户观察外界世界亮度影响较小。

第一四分之一波片34和第二四分之一波片53的快慢轴方向一致，其快轴方向都与第一偏振光的偏振方向成45度角。线性偏光片的52吸收轴方向为其第二偏振光偏振方向。同时，可在第4光学结构5表面增加增透光学膜54和55，消除空气和介质表面的反射损失。

考察这种方式是否会阻挡用户观看外界信息。外界环境入射的非偏振光，经过线性偏光片52后剩余第一偏振光，第一偏振光通过第二四分之一波片53变圆偏振光，经过S2，部分透射，达到第二光学结构3，先经过四分之一波片34，变为第二偏振光，由于偏振反射膜33透射第二偏振光，所以光透射出去，顺利到达人眼。

下文将描述本实用新型增强现实光学显示系统的工作原理。

从光源1发出的非偏振光线101经过第一光学结构2进行场曲矫正，降低畸变后形成入射光201，抵达第二光学结构3，穿过四分之一波片膜34后，在偏振反射膜33处，其中的第一偏振光被反射；反射的第一偏振光再经过四分之一波片膜34，变为圆偏振光301；圆偏振光301到达第三光学结构4的S2面后部分反射形成第二反射光401；第二反射光401再次经过第二光学结构3的四分之一波片膜34，变为第二偏振光，穿透偏振反射膜33后透射到人眼，形成特定位置和特定放大倍数的数字虚像。

经过合理设置曼金反射镜42的S1和S 2表面面型参数（曲率半径），可以大大降低成像球差，从而提高像质，提高了观看数字内容的清晰度。

同时，也可以控制所成虚像的位置。比如近视200度的用户，其可看清的为距离为0.25-0.5m，那么虚像位置可设置在0.5m就能保证其可看清楚。

此外，在上述基础上，也可以加入机械手动或电动微调机制，通过调整光源1距离第一光学结构2的距离来实现控制虚像的距离，来更好地适应近视用户近视情况的变化。最终使得近视用户看清数字影像。

补偿镜43与曼金反射镜42结合后，通过合理设计S1，S2和S3面型参数，可以实现对于透射光场，无光焦度或者有特定光焦度的效果。对于近视用户，其整体光焦度可设计为与其近视镜片光焦度一致，那么用户通过本设计光学系统看外界真实世界，就可以看清楚。

以上合理设置曼金反射镜42和补偿镜43的表面面型参数，可以实现近视用户无需额外近视镜片就同时可看清楚数字世界和真实世界。结合光源的微调，可以经一步提高适配近视范围，保证了用近视用户的长期佩戴。

为了避免出现显示泄露问题，引入第四光学结构5。圆偏振光透过表面S2部分反射部分透射，有相当比例的光透射出来形成泄露光501。泄露光501是微显示屏的放大的像，外界可以清楚地看到。如果用户佩戴此近眼显示系统观看一些私密内容，那么就存在信息泄漏的问题，所以引入了第四光学结构5。

51是光学薄板，放置线性偏光片52和第二四分之一波片53。合理设置第二四分之一波片53的快慢轴方向和线性偏光片52的吸收轴方向，可以实现对泄露光的吸收，同时对用户观察外界世界亮度影响较小。

第一四分之一波片34、第二四分之一波片53的快慢轴方向一致，其快轴方向都与第一偏振光的偏振方向成45度角。线性偏光片的52吸收轴方向为其第二偏振光偏振方向。同时，可在第4光学结构5表面增加增透光学膜54和55，消除空气和介质表面的反射损失。

外界环境入射的非偏振光，经过线性偏光片52后剩余第一偏振光，第一偏振光通过第二四分之一波片53变圆偏振光，经过S2，部分透射，达到第二光学结构3，先经过四分之一波片34，变为第二偏振光，由于偏振反射膜33透射第二偏振光，所以光透射出去，顺利到达人眼。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本实用新型优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护范围之内。