AR光学装置和穿戴式AR设备的制作方法

本实用新型涉及增强现实成像技术领域，具体而言，涉及一种AR光学装置和穿戴式AR设备。

背景技术：

AR(Augmented Reality，增强现实)也被称为混合现实，其原理是通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

目前，人们可以通过穿戴式设备，如AR眼镜或AR头盔等，与真实世界进行互动。如图1示出了现有的AR眼镜或AR头盔中的AR光学装置的结构示意图，如图1所示，现有的AR光学装置光学系统包括像源11、分光镜3、曲面半反射镜4和位于分光镜3上方的透镜12，像源11设置在光学系统的上部，且像源11与透镜12之间有一定距离，像源11的图像光线从上方向下射入透镜12。与此同时，环境光线从曲面半反射镜4的右侧向左侧(人眼方向)射入，干扰光线还同时从分光镜的下方向上射入。图像光线的部分光线经过分光镜3的反射射向曲面半反射镜4，部分光线再经过曲面半反射镜4的反射射向分光镜3。环境光线的部分光线依次穿过曲面半反射镜4和分光镜3抵达人眼；干扰光线的部分光线经过分光镜3的反射抵达人眼。部分图像光线、部分环境光线和部分干扰光线最终同时抵达人眼，使得用户能够看到外界真实环境的同时还可以看到叠加在真实环境中的像源11的图像。

现有的AR光学装置存在以下缺陷：图像光线的部分光线经过分光镜3，一部分光为反射光，一部分光为透射光，经过分光镜3的反射光射向曲面半反射镜4，部分光线再经过曲面半反射镜4的反射射向分光镜3，像源11的光线经过反射和透射后，造成大量光线丢失，当佩戴者透过该装置观察周围环境时，像源光线的光透过率较低，光能利用率较低，同时，由于大量的干扰光源，外部无法看到佩戴者的眼睛，导致社交性不好。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种AR光学装置和穿戴式AR设备，采用具有带通偏振分光膜的带通偏振分光镜，可以提高透光率。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种AR光学装置，包括带通偏振分光镜和反射镜；

所述图像投射装置包括像源；

所述像源射出的图像光线经过所述带通偏振分光镜分为第一方向的偏振光和第二方向的偏振光；所述第一方向的偏振光的出射方向远离所述像源；所述第二方向的偏振光射向所述反射镜，经所述反射镜反射后射向所述带通偏振分光镜，并透射所述带通偏振分光镜。结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述带通偏振分光镜包括相互连接的分光镜基片和带通偏振分光膜。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述带通偏振分光镜包括相互连接的分光镜基片和带通偏振分光膜。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述分光镜基片和所述带通偏振分光膜之间具有粘合层。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述带通偏振分光膜为由至少一组第一折射率材料和第二折射率材料叠加构成的多层膜结构。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述第一折射率材料的折射率大于所述第二折射率材料的折射率；所述第二折射率材料比所述第一折射率材料更靠近所述图像投射装置。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述带通偏振分光镜还包括偏光膜；所述偏光膜位于所述分光镜基片的外侧，或者位于所述带通偏振分光膜的外侧，或者位于所述分光镜基片和所述带通偏振分光膜之间；

所述偏光膜用于通过偏振态为第一方向的偏振光，吸收偏振态为第二方向的偏振光。

结合第一方面、第一方面的第一种可能的实施方式或第一方面的第五种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述AR光学装置还包括波片组件；所述带通偏振分光镜与所述波片组件和所述反射镜依次排列。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述波片组件为1/4波片。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述反射镜为曲面反射镜。

结合第一方面的第八种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述曲面反射镜包括相互连接的曲面镜基片和带通反射膜。

结合第一方面的第九种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第十种可能的实施方式，其中，所述带通反射膜至少包括第三折射率材料和第四折射率材料。

结合第一方面的第九种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第十一种可能的实施方式，其中，所述曲面反射镜还包括增透膜。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种穿戴式AR设备，包括卡箍件和上述的AR光学装置。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：

本实用新型实施例提供的AR光学装置和穿戴式AR设备，该AR光学装置包括带通偏振分光镜和反射镜，从像源射出的图像光线经过带通偏振分光镜后分为第一方向的偏振光和第二方向的偏振光，其中，第一方向的偏振光的出射方向远离像源，第二方向的偏振光射向反射镜，然后经反射镜反射后射向带通偏振分光镜，并透射带通偏振分光镜，最后射向人眼。同时，实现带通偏振分光膜对波长通带范围内的光线进行偏振分光，而波长通带范围外的光线可全部透过带通偏振分光膜，可以在不降低光源能量利用效率的同时，提高佩戴者观察世界的透光率，同时提高佩戴者眼睛的外部可见度，进而提高社交性。

本实用新型的其他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，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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的附图。

图1为现有技术的一种AR光学装置的结构示意图；

图2为本实用新型一实施例所提供的AR光学装置的结构示意图；

图3～7为本实用新型一实施例所提供的带通偏振分光镜的结构示意图；

图8～13为本实用新型一实施例所提供的曲面反射镜的结构示意图；

图14～16为本实用新型一实施例所提供的带通偏振分光膜特性的波形图；

图17为本实用新型一实施例所提供的带通反射膜特性的波形图；

图18为本实用新型一实施例所提供的窄带光源或像源的光谱能量分布图。

图标：1-图像投射装置；11-像源；12-透镜；3-分光镜；4-曲面半反射镜；5-带通偏振分光镜；51-分光镜基片；52-带通偏振分光膜；53-偏光膜；6-波片组件；7-曲面反射镜；71-增透膜；72-曲面镜基片；73-带通反射膜。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型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实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

针对现有的AR光学装置的光能利用率较低等问题，本实用新型实施例提供了一种AR光学装置和穿戴式AR设备，以下首先对本实用新型的AR光学装置进行详细介绍。

实施例一

本实施例提供了一种AR光学装置，如图2所示，该AR光学装置包括图像投射装置1、带通偏振分光镜5、波片组件6和反射镜。其中，图像投射装置1包括像源11，从像源11射出的图像光线经过带通偏振分光镜5分为第一方向的偏振光和第二方向的偏振光，第一方向的偏振光的出射方向远离像源11，第二方向的偏振光射向反射镜，经反射镜反射后射向带通偏振分光镜5，并透射带通偏振分光镜5。在本实施例中，第一方向的偏振光可以是P偏振光，第二方向的偏振光可以是S偏振光。

在一可选的实施例中，带通偏振分光镜5可以包括相互连接的分光镜基片51和带通偏振分光膜52。一种连接方式为：分光镜基片51和带通偏振分光膜52之间可以通过静电贴合在一起；另一种连接方式为：分光镜基片51和带通偏振分光膜52之间可以通过粘合层粘贴，粘合层的材质可以为AB胶水、UV胶或光学压敏胶；还有一种连接方式为：分光镜基片51和带通偏振分光膜52通过热压贴合在一起。上述连接方式也适用于下述其它膜与膜之间、或膜与基片之间的连接。分光镜基片51和带通偏振分光膜52的位置关系可以如图3所示，带通偏振分光膜52位于临近图像投射装置1的一侧，分光镜基片51位于远离图像投射装置1的一侧；也可以如图4所示，分光镜基片51位于临近图像投射装置1的一侧，带通偏振分光膜52位于远离图像投射装置1的一侧。

具体地，带通偏振分光膜52可以对某几个特定波长范围(波长通带)内的光进行偏振分光，而对于波长通带外的光线全部透过；由于像源发出的光在不同的波长处的能量是不同的，主要集中在光学三原色(即红、绿、蓝)附近，且主要能量分布的通带宽度之和通常小于通带外的波长范围之和，因此使用带通偏振分光膜，可以在基本不降低光源能量利用效率的同时，提高人眼观察真实世界的透光率，提高佩戴者眼睛的外部可见度从而提高社交性。如图14至图16所示，在能量利用率基本不变的情况下，带通偏振分光膜的光透过率可以达到80％或者更高。

带通偏振分光膜52为由至少一组第一折射率材料和第二折射率材料叠加构成的多层膜结构，第二折射率材料比第一折射率材料更靠近图像投射装置1。其中，第一折射率材料的折射率大于第二折射率材料的折射率。带通偏振分光膜52的厚度可以介于1.6um-300um之间，例如，介于10um-100um之间。

带通偏振分光膜52的基本工作原理如下：当自然光线以布儒斯特角从低折射率材料入射至高折射率材料时，反射光为s偏振光，投射光为s偏振光和p偏振光的混合光，其中p偏振光成分占大部分。因此，通过将高折射率和低折射率材料薄层交替排列形成多层膜结构，使光线能以相应折射率的布儒斯特角入射至该多层膜结构时，反射光线只有s偏振光，而投射光线也接近于只有p偏振光。带通偏振分光膜52的层数越多，投射光线中p偏振光的比例越高。由于布儒斯特角与折射率相关，而折射率又与波长相关，因此，通过三种多层膜结构的叠加，可以实现带通的滤光膜。

带通偏振分光膜52的多层膜结构可以采用多种方法实现，其中一种方法为：是通过蒸镀的方式将材料一层一层的附着在基底上，实现高低折射率材料交替叠层的多层膜结构，这种方式的入射角带宽和波长选择很难同时控制，仅能适用于某些场合的应用，但这种方式对能量的耐受程度较好。另一种方式为：使用有机高分子材料拉伸形成高低折射率材料，通过拉伸不仅可以控制膜层的折射率，还能够使得同一膜层在xy两个拉伸方向的折射率不同，而且有机高分子薄膜相对于镀膜方式更容易实现高膜层数量，能够提高入射角带宽以及波长选择灵活性，也能提高偏振光的纯度，从而使得多层膜结构在性能上有更好的表现，但由于是有机高分子材料，则其在高能量密度的光入射的场合不太适用。可选地，带通偏振分光镜5还可以包括偏光膜53，偏光膜位于分光镜基片51的外侧，或者位于带通偏振分光膜52的外侧，或者位于分光镜基片51和带通偏振分光膜52之间。例如，偏光膜53、分光镜基片51以及带通偏振分光膜52之间的位置关系可以如图5所示，带通偏振分光膜52位于临近图像投射装置1的一侧，偏光膜53位于远离图像投射装置1的一侧，分光镜基片51位于偏光膜53和带通偏振分光膜52之间；还可以如图6所示，带通偏振分光膜52位于临近图像投射装置1的一侧，分光镜基片51位于远离图像投射装置1的一侧，偏光膜53位于分光镜基片51和带通偏振分光膜52之间；或者可以如图7所示，分光镜基片51位于临近图像投射装置1的一侧，偏光膜53位于远离图像投射装置1的一侧，带通偏振分光膜52位于偏光膜53和分光镜基片51之间。其中，偏光膜53用于通过偏振态为第一方向的偏振光，吸收偏振态为第二方向的偏振光。

带通偏振分光膜52还可以采用镀膜的工艺贴合在分光镜基片51上，镀膜的工艺方法包括真空溅射、离子辅助沉积、热蒸发、电阻加热蒸发或电子束蒸发等。

波片组件6可以采用1/4波片，可将带通偏振分光镜5与波片组件6和反射镜依次排列。具体地，1/4波片用于将入射的s偏振光转变为圆偏振光。1/4波片可为平面结构或曲面结构；1/4波片还可为柱面结构；1/4波片还可为球面或非球面结构。1/4波片可以设置于带通偏振分光镜5和反射镜之间，如图2所示。1/4波片也可以贴合于反射镜的内侧，即临近带通偏振分光镜5的一侧。

反射镜可以采用曲面反射镜7，曲面反射镜7包括相互连接的曲面镜基片72和带通反射膜73。曲面镜基片72和带通反射膜73的位置关系可以如图8所示，曲面镜基片72位于临近波片组件6的一侧，带通反射膜73位于远离波片组件6的一侧；也可以如图9所示，带通反射膜73位于临近波片组件6的一侧，曲面镜基片72位于远离波片组件6的一侧。

具体地，带通反射膜73至少包括第三折射率材料和第四折射率材料，第三折射率材料的折射率大于第四折射率材料的折射率，并且第四折射率材料比第三折射率材料更靠近带通偏振分光镜5。可选地，第三折射率材料和第四折射率材料间隔设置。带通反射膜为镀膜层。其工艺方式可为真空溅射、离子辅助沉积、热蒸发、电阻加热蒸发或电子束蒸发等。

带通反射膜73与上述带通偏振分光膜52相对应，对带通偏振分光膜52的波长通带内的光全反射或大部分反射，而对于通带外的光全部透射。可以在提高光能利用效率的同时，提高人眼观察真实世界的透光率，提高佩戴者眼睛的外部可见度从而提高社交性，同时降低甚至消除像源的光射向外部环境被他人观察到，提高隐私性。如图17所示，带通反射膜73的光透过率可以达到70％或者更高，使像源的能量利用率可以提高一倍。

可选地，曲面反射镜7还包括增透膜71，增透膜71与曲面镜基片72和/或带通反射膜73紧密贴合。增透膜71、曲面镜基片72以及带通反射膜73之间的位置关系可以如图10所示，带通反射膜73位于临近波片组件6的一侧，增透膜71位于远离波片组件6的一侧，曲面镜基片72位于带通反射膜73和增透膜71之间；还可以如图11所示，增透膜71位于临近波片组件6的一侧，带通反射膜73位于远离波片组件6的一侧，曲面镜基片72位于增透膜71和带通反射膜73之间；或者可以如图12所示，曲面镜基片72位于临近波片组件6的一侧，带通反射膜73位于远离波片组件6的一侧，增透膜71位于曲面镜基片72和带通反射膜73之间；或者可以如图13所示，增透膜71位于临近波片组件6的一侧，曲面镜基片72位于远离波片组件6的一侧，带通反射膜73位于增透膜71和曲面镜基片72之间。

图像投射装置1包括像源11。像源11的作用是显示需要投射到人眼中的图像，像源11可以采用平面像源，包括但不限于集成光源的像源或单一像源。例如，OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)、LCOS(Liquid Crystal On Silicon，硅基液晶)、LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、MEMS(Microelectromechanical Systems，微机电显示系统)、DMD(Digital Micro-mirror Device，数字微镜元件)等显示原理的电子器件。其中，OLED和LCD为集成光源的像源；LCOS、MEMS和DMD为单一像源，当采用单一像源时，可以另外增加辅助的光源。

可选地，为了提高光能利用率，进一步减少像源光线的外泄从而提高隐私性。如果像源11采用集成光源的像源，该像源可以为窄带像源。如果图像投射装置1包括辅助的光源，该光源可以是窄带光源。图18示出了窄带光源或窄带像源的光谱能量分布图，如图18所示，窄带光源或窄带像源的三原色(即红、绿、蓝)能量更为集中，因此可以提高能量的利用率，同时也进一步减少像源光线的外泄从而提高隐私性。同时，如果配合缩短带通偏振分光膜和带通反射膜的通带宽度，可以进一步提高透过率，提高社交性。

在一可选的实施例中，图像投射装置1还可以包括透镜12，透镜12位于像源11与带通偏振分光镜5之间，其中，透镜12和像源11之间设置有外部密封结构，例如，密闭边框，使透镜12和像源11之间形成密闭的腔体，防止匹配镜材质流失。透镜12可以是一个透镜或多个透镜组成的透镜组。透镜或透镜组中每面透镜可以是凸透镜、凹透镜或凸透镜和凹透镜任意组合等，透镜的面型可以是球面、非球面、自由曲面等，透镜12将光线折射，配合偏振光路组件共同完成成像。

本实用新型实施例提供的AR光学装置的工作原理如下：从图像投射装置1出射的图像光线投射到带通偏振分光镜5上，带通偏振分光膜52对设定的某几个波长通带内的光线进行偏振分光，其中的s偏振光经过波片组件6，转变为圆偏振光，然后入射到曲面反射镜7，带通反射膜73上述波长通带内的光线进行全反射，反射后的圆偏振光经过波片组件6，转变为p偏振光再次入射到带通偏振分光镜5，p偏振光可以穿过带通偏振分光镜5进入到人眼中，使用户能看到大可视角度的虚拟图像。

综上所述，本实施例提供的AR光学装置，具有如下优点：

第一，由于带通偏振分光膜具有高折射率和低折射率材料交替排列形成的多层膜结构，使光线能以相应折射率的布儒斯特角入射至该多层膜结构时，反射光线是纯的s偏振光，而投射光线也接近于纯的p偏振光，提高图像光线亮度，能够提高人眼观察世界的透光率1.5倍或者更高，改善了佩戴者透过传统的AR光学装置观察周围环境的透光率较低(一般25％左右)的问题；

第二，由于曲面反射镜上设有带通反射膜，基本可以完全遮蔽像源的光线外泄，彻底改善隐私性；

第三，光源采用能量较为集中的窄带光源，使光源能量较为集中，减少了光源能量的浪费，提升图像光线的能量利用率，能量利用率可以提高1倍以上；改善了现有的AR光学装置光能利用效率较低(约12％-25％左右)的问题；

第四，佩戴者的眼睛的可见度提高1.5倍以上，提高了社交性。

实施例二

本实用新型实施例还提供了一种穿戴式AR设备，包括卡箍件和上述实施例一或实施例二所记载的AR光学装置。

该穿戴式AR设备可以是但不限于AR眼镜、AR头盔或AR面罩。当穿戴式AR设备为AR眼镜时，卡箍件为镜框，AR光学装置安装在镜框上，相当于两个镜片的位置。当穿戴式AR设备为AR头盔时，卡箍件可以是头盔壳体，AR光学装置安装于头盔壳体前侧的面窗部。

本实施例的穿戴式AR设备设置有上述的AR光学装置，AR光学装置采用偏振光路组件，偏振光路组件包括依次排列的带通偏振分光镜、波片组件和反射镜，图像投射装置位于带通偏振分光镜的上方或下方。带通偏振分光镜上设有带通偏振分光膜，反射镜上设有带通反射膜。

本实施例提供的穿戴式AR设备，具有如下优点：提高图像光线亮度，能够提高人眼观察世界的透光率；基本可以完全遮蔽像源的光线外泄，彻底改善隐私性；光源采用能量较为集中的窄带光源，使光源能量较为集中，减少了光源能量的浪费，提升图像光线的能量利用率；佩戴者的眼睛的可见度提高，提高了社交性。

本实用新型实施例提供的AR光学装置和穿戴式AR设备具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

需要说明的是，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。