一种AR显示设备及AR头戴设备的制作方法

一种ar显示设备及ar头戴设备
技术领域
1.本发明涉及ar设备技术领域，特别是涉及一种ar显示设备以及一种ar头戴设备。


背景技术：

2.在ar显示设备中，主要通过波导镜片为用户投影显示一个和真实世界景象相互叠加显示的虚拟投影画面。该波导镜片从外形结构上而言，类似于眼镜镜片，其工作原理时通过微型投影光机向该波导镜片投射投影光线，该投影光线在波导镜片中传导后入射至人眼进而形成虚拟的投影画面。
3.随着ar技术的发展，为了提升ar显示设备使用的便利性，可以将波导镜片设置成可上下翻转的结构，使得用户在暂停使用ar显示设备时，只需要降波导镜片翻转至人眼上方位置即可；而在需要继续使用ar显示设备时，再将该波导镜片翻转至人眼视线的正前方即可。但在波导镜片反复翻转的过程中，往往不可避免的导致波导镜片翻转至人眼视线内的位置存在偏差，导致成像的投影画面沉浸感较差甚至使得用户出现眩晕感，双眼疲劳不适等感受，降低了用户体验。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种ar显示设备以及一种ar头戴设备，能够在一定程度上提升ar显示画面的显示效果，提升用户使用体验。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种ar显示设备，包括设备本体，和所述设备本体相连接的波导镜片；用于向所述波导镜片投射投影光线的投影光机；和所述投影光机相连接的偏转机构；用于检测所述波导镜片和标准显示位置之间的偏转夹角的角度传感器；和所述偏转机构以及所述角度传感器相连接的处理器；所述处理器用于当所述角度传感器检测到所述偏转夹角不为0，控制所述偏转机构驱动所述投影光机运动至设定位置，以调整所述投影光机向所述波导镜片投射投影光线的角度或位置。
6.在本技术的一种可选地实施例中，所述波导镜片和所述设备本体之间可上下翻转连接。
7.在本技术的一种可选地实施例中，所述处理器用于当所述角度传感器检测到所述偏转夹角的角度在预设角度范围内，则控制所述偏转机构驱动所述投影光机沿所述波导镜片偏离所述标准显示位置的方向反向旋转所述偏转夹角。
8.在本技术的一种可选地实施例中，所述波导镜片的耦入端设置有耦入件；所述波导镜片的耦出端内设置和所述波导镜片输出投影光线的表面之间夹角为的反射元件；
所述反射元件和波导镜片之间满足不等式，其中，为当所述波导镜片处于标准显示位置时投影光线在所述波导镜片内和所述波导镜片输出投影光线的表面之间的夹角；为所述预设角度范围内的最大角度。
9.在本技术的一种可选地实施例中，还包括和所述处理器相连接的提示器，用于当所述偏转夹角超出所述预设角度范围，则输出提示信号。
10.在本技术的一种可选地实施例中，所述波导镜片通过连接座和所述设备本体相连接，所述连接座和所述设备本体之间还设置有阻尼件。
11.在本技术的一种可选地实施例中，所述角度传感器为激光传感器。
12.在本技术的一种可选地实施例中，所述波导镜片通过连接座和所述设备本体相连接；所述波导镜片和所述连接座之间通过转轴连接；所述转轴连接有驱动组件；所述驱动组件用于通过所述转轴驱动所述波导镜片以竖直方向轴线为旋转轴左右摆动旋转。
13.在本技术的一种可选地实施例中，所述波导镜片包括左波导镜片和右波导镜片，所述驱动组件包括第一驱动组件和第二驱动组件，所述第一驱动组件和所述第二驱动组件分别用于驱动所述左波导镜片和所述右波导镜片独立左右摆动旋转。
14.一种ar头戴设备，包括如上任一项所述的ar显示设备。
15.本发明所提供的一种ar显示设备以及一种ar头戴设备，该ar显示设备包括设备本体，和设备本体相连接的波导镜片；用于向波导镜片投射投影光线的投影光机；和投影光机相连接的偏转机构；用于检测波导镜片和标准显示位置之间的偏转夹角的角度传感器；和偏转机构以及角度传感器相连接的处理器；处理器用于当角度传感器检测到偏转夹角不为0，控制偏转机构驱动投影光机运动至设定位置，以调整投影光机向波导镜片投射投影光线的角度或位置。
16.本技术中考虑到在ar显示设备中是以波导镜片竖直设置在人眼正前方的状态为基准设定投影光机以及波导镜片等光学部件的，由此这一位置也即是波导镜片能够达到最佳显示效果的标准显示位置；而一旦波导镜片偏离了这一标准显示位置，对于ar显示设备这种精细度较高的光学设备而言，就会导致投影画面的显示效果大打折扣。为此，本技术中在ar显示设备中进一步地设置了对波导镜片相对于标准显示位置发生偏转的偏转夹角进行检测的角度传感器，还进一步地将投影光机连接有偏转机构，由此当该角度传感器检测到这一偏转夹角不为0，也即是波导镜片相对于标准显示位置存在偏转时，可以通过偏转机构驱动投影光机运动至设定位置，进而改变调节该投影光机向波导镜片投射投影光学的角度或位置，以弥补波导镜片位置发生偏转而引起的投影画面成像效果差的问题，使得波导
镜片即便不处于标准显示位置也能够输出清晰的虚拟投影画面，在很大程度上提升了ar显示设备的显示效果，并提升用户的使用体验。
附图说明
17.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本技术实施例提供的ar显示设备的结构示意图；图2为本技术实施例提供的ar显示设备的光路结构示意图；图3为本技术实施例提供的ar显示设备的另一结构示意图；图4为本技术实施例提供的ar显示设备的另一光路结构示意图。
具体实施方式
19.在ar显示设备中，对于可上下翻转的波导镜片而言，多数是通过用户手动翻转，而用户手动翻转波导镜片的精度往往有限，可能存在翻转不到位的情况，且对于波导镜片这种高精度的光学元件而言，波导镜片细微的差别也会引起投影画面出现较为明显的偏差；因此可能波导镜片的位置仅仅出现用户无法感知的轻微偏差，也会导致投影效果差；而又因为波导镜片位置偏差过于细小，导致用户难以调整的问题。
20.当然，也可以考虑电动控制该波导镜片的上下翻转，但无论是手动翻转还是电动翻转，随着波导镜片反复翻转的次数增多，实现翻转的结构件出现磨损，最终都可能导致波导镜片无法精准的翻转到位，也同样会引起投影效果显示差的问题。
21.并且，即便是不能够进行上下翻转的波导镜片，也可能随着使用时间的延长，部件出现碰撞磨损变形而使得波导镜片偏离原本的位置，也可能导致投影画面显示效果差的问题。
22.为此，本技术中提供了一种能够通过调整投影光机输出投影光线的角度方向以弥补波导镜片位置存在偏差的问题，从而在一定程度上保证了ar显示设备良好的显示效果，有利于ar显示设备的广泛应用。
23.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
24.如图1、图2、图3以及图4所示，图1为本技术实施例提供的ar显示设备的结构示意图，图2为本技术实施例提供的ar显示设备的光路结构示意图，图3为本技术实施例提供的ar显示设备的另一结构示意图，图4为本技术实施例提供的ar显示设备的另一光路结构示意图。
25.在本技术的一种具体实施例中，该ar显示设备可以包括：设备本体10；和设备本体10相连接的波导镜片20；用于向波导镜片20投射投影光线的投影光机30；和投影光机30相连接的偏转机构；用于检测波导镜片20和标准显示位置
之间的偏转夹角的角度传感器；和偏转机构以及角度传感器相连接的处理器；处理器用于当角度传感器检测到偏转夹角不为0，控制偏转机构驱动投影光机30运动至设定位置，以调整投影光机30向波导镜片20投射投影光线的角度或位置。
26.在ar显示设备的使用过程中，当用户佩戴好该ar显示设备时，理论上而言该ar显示设备中的波导镜片20应当是呈竖直方向设置在人眼视线的正前方的；因此，在实际设置投影光机30和波导镜片20之间的光路结构时，也是设置以波导镜片20处于竖直方向位置为准的光路结构；相应地，当波导镜片20处于竖直方向位置时，投影光机30向波导镜片20投射投影光线最终入射到人眼中的投影画面最为清晰，成像效果最好。为此，本技术中以波导镜片20设置在竖直方向位置为波导镜片20的标准显示位置，也即是说，本实施例中的标准显示位置是指波导镜片20显示效果最好的位置。
27.需要说明的是，本技术中所指的波导镜片20竖直方向设置，是以用户正视正前方时的视线方向呈水平方向的状态作为基准的情况下，波导镜片所在平面即为竖直平面。此外本技术中所提到的上下、左右均是以用户正视正前方时的视线方向呈水平方向的状态作为基准的情况下所确定的上下左右的方位，对此本技术中后续不在重复说明。
28.参照图2，本实施例在ar显示设备中设置能够检测波导镜片20相对于标准显示位置的偏转夹角的角度传感器；当该角度传感器采集的偏转夹角不为0时，也即说明波导镜片20当前所在位置相对于标准显示位置存在偏差，而该角度传感器将检测获得的偏转夹角发送至处理器，处理器基于该偏转夹角的大小即可向偏转机构发送控制信号，使得偏转机构根据该偏转夹角的大小驱动投影光机30旋转运动，使得投影光机30向波导镜片20投射投影光线的角度发生变化；相应的，经过波导镜片20传导至人眼的投影光线的光路也发生变化，由此只要使得投影光机30旋转的位置能够保证投影光线投射至人眼的显示效果最佳，即可保证波导镜片20在相对于标准显示位置存在偏转的条件下，也能够实现投影画面高清晰的显示。
29.本实施例中的波导镜片20可以是具有上下翻转功能，也即是说波导镜片20和设备本体10之间可上下翻转连接。如图1所示，图1所示的ar显示设备中即为一个波导镜片20处于向上翻转状态，另一个处于未翻转的状态。当用户不使用该ar显示设备时，若将波导镜片20向上翻转，则波导镜片20位于人眼上方，此时用户可以直接目视环境景物，而无需透过波导镜片观看；而当波导镜片向下翻转至人眼正前方时，投影光机30输出的投影光线即可通过该波导镜片20传导入射至人眼，而此时若是波导镜片20因用户操作不当或者时波导镜片20和设备本体10之间的连接结构磨损松动，导致波导镜片20未精准翻转回到标准显示位置，则可以通过调节旋转投影光机30，由此改变其输出投影光线的方向，进而保证用户能够正常观看到显示效果良好的投影画面。
30.可以理解的是，即便波导镜片20不能够上下翻转，在实际应用中，也有可能因为某些意外情况，导致波导镜片20偏离了标准显示位置，由此可见，本技术实施例中的波导镜片20既可以是具有上下翻转功能的镜片也可以是不具有上下翻转功能的镜片，且当该波导镜片20为具有上下翻转功能的镜片时，可以是手动翻转也可以是电动翻转，对此本技术中并不具体限制，无论是具有翻转功能的波导镜片20还是不具有翻转功能的波导镜片20，均可以采用本实施例中类似的方式实现投影光线的光路调整，通过角度传感器、偏转机构以及处理器之间的配合工作保证投影画面的清晰显示。当然本技术的技术方案主要应用于波导
镜片20具有上下翻转功能的ar显示设备中，后续实施例中也以此为主进行说明，对此不再赘述。
31.在ar显示设备中的投影光机30、偏转机构、角度传感器以及处理器均可以设置在波导镜片20和设备本体10之间的连接座40中，且角度传感器、投影光机30等部件和波导镜片20之间的相对位置是固定不变的；而在设备本体10上设置有一个容纳该连接座的凹槽11，该凹槽11的槽壁110表面是和处于标准显示位置的波导镜片20相互平行的。由此，在本技术的一种可选地实施例中，该角度传感器具体可以采用激光传感器等测距传感器，通过采集角度传感器随波导镜片20旋转所在的位置相对于凹槽11的槽壁110之间的间距转换为波导镜片20相对于标准显示位置之间的偏转夹角。在实际应用中，可以在凹槽11的槽壁上设置一个反射膜从而保证激光传感器能够精准的获得偏转夹角。
32.当然，在实际应用中，波导镜片20可相对于设备本体10发生上下翻转时，波导镜片20和设备本体10之间的连接座40中必然包括旋转轴。因此，在实际应用中，也可以将该旋转轴上设置类似于编码器等角度测量设备，进而在波导镜片20相对于标准显示位置存在偏转时采集偏转夹角。
33.此外，该角度传感器也可以是设置在凹槽11的槽壁110上，通过检测其所在位置和连接座40之间的相对位置同样可以实现偏转夹角的检测，对此，本技术中不详细赘述。
34.和上述角度传感器类似，投影光机30也可以是设置在连接座40中的，即可以随连接座40以及波导镜片20同步上下翻转。如图2所示，当波导镜片20相对于标准显示位置发生偏转时，投影光机30也会随波导镜片发生偏转。在图2所示的实施例中，虚线示出的波导镜片20位置即为标准显示位置，实线所示出的波导镜片20的位置则为波导镜片20相对于标准显示位置存在一定偏转夹角的位置；且虚线示出的投影光机30即为波导镜片20处于标准显示位置时，投影光机30所在位置；而实线示出的投影光机30即为波导镜片20相对于标准显示位置存在一定的偏转夹角时投影光机30所在位置。
35.为了保证波导镜片20相对于标准显示位置存在一定偏转的条件下也能够按照和在标准显示位置输出时相同方向向人眼输出的投影光线相同。在控制投影光机30旋转过程中，当角度传感器检测到偏转夹角的角度在预设角度范围内，则控制偏转机构驱动投影光机30沿波导镜片20偏离标准显示位置的方向反向旋转偏转夹角。
36.参照图2，在图2所示的实施例中，波导镜片20相对于标准显示位置顺时针偏转且偏转夹角为；基于光路传输的基本原理可知，经过偏转后的波导镜片20输出的投影光线也应当相对一标准显示位置输出的投影光线顺时针发生角的偏转夹角。因此，为了使得投影光线能够偏转回到标准显示位置的输出光路上，可以控制投影光机20沿逆时针方向旋转，相应地，投影光线的传输路径显然也相应的发生偏转，最终和波导镜片20位于标准显示位置时输出的投影光线方向保持一致，由此，人眼感觉到虚拟图像的光线的方向保持不变，即可保证波导镜片即便偏离了标准显示位置也能良好的输出投影画面。
37.在此基础上，因为投影光线在波导镜片20内传输是全反射传输，这也就对投影光线入射至波导镜片20耦入端的入射角存在一定要求，避免投影光线入射至波导镜片20之后无法进行全反射传输。
38.由此，在角度传感器检测获得波导镜片20相对于标准显示位置之间的偏转夹角时，可以首先判断该偏转夹角的大小是否位于预设角度范围内，若是，则通过偏转机构驱动投影光机30旋转，进而改变其输出投影光线的方向；而当波导镜片20相对于标准显示位置的偏转夹角超出该预设角度范围内时，此时波导镜片20发生偏转的角度过大，可以提醒用户先对波导镜片20进行适当的调节以减小该偏转夹角，具体地可以在设备本体内设置语音提示器或其他类型的提示器，以便提示用户可以手动调整波导镜片20位置。
39.对于上述预设角度范围具体可以是0~10的区间范围，也可以是0~12，具体可以基于实际应用需求设定，为了保证预设角度范围内各个位置的波导镜片20均能够通过调整投影光机输出投影光线的方向来实现投影画面的良好显示，在本技术的另一可选地实施例中，还可以进一步地包括：波导镜片20的耦入端设置有耦入件21；波导镜片20的耦出端内设置和波导镜片20输出投影光线的表面之间夹角为的反射元件22；反射元件22和波导镜片20之间满足不等式，其中，为当波导镜片20处于标准显示位置时投影光线在波导镜片20内和波导镜片20输出投影光线的表面之间的夹角；为预设角度范围内的最大角度。
40.参照图2，对于上述不等式中公式(1)是保证投影光线耦入到位于标准显示位置的波导镜片20之后，能够在波导镜片20内发生全反射的条件。而对于公式（4）则是保证波导镜片20在发生最大偏转时，投影光线耦入到波导镜片20之后，能够在波导镜片20内发生全反射的条件。对于公式（2）和公式（3）均为波导镜片20内的投影光线经过反射元件22的反射作用能够耦出至人眼的条件，而公式（2）则是为了保证经过反射元件22反射后的投影光线再次入射到波导镜片20表面时的入射角小于全反射角；公式（3）则是为了保证入射至反射元件22的投影光线的耦出方向能够和波导镜片20位于标准显示位置时输出投影光线的耦出方向保持平行出射的条件，进而使得进入人眼的的光线方向不会产生变化，即图像的位置保持基本一致。
41.上述不等式是波导镜片20相对于标准显示位置的偏转角度达到预设角度范围内的最大角度时，反射元件和波导镜片20之间应当满足的不等式要求；可以理解的是，只要该波导镜片20满足这一条件，那么波导镜片20相对于标准显示位置的偏转夹角在该预设角度范围内的任意角度均可以实现投影画面的良好显示效果。
42.此外，本技术中的ar显示设备是一种实现虚拟和现实的景物图像叠加显示的设备，为此，为了避免反射元件22对环境光线入射至人眼存在遮挡，该反射元件22可以采用半
反半透元件。
43.并且，在实际应用中将波导镜片20中的投影光线耦出的并不仅限于采用反射元件22，也可以考虑采用光栅元件，通过光栅元件对投影光线的衍射作用实现投影光线的耦出，至于光栅元件和波导镜片20所需要满足的条件则可以基于光栅元件的基本衍射特性确定，对此本技术不再详细赘述。
44.在图2所示的实施例中，主要是以投影光机30设置在可与波导镜片20同步翻转的连接座内为例进行说明的。在实际应用中，投影光机30也可能是设置在设备本体10上，也即是波导镜片20偏转过程中投影光机30并不随其偏转。参照图2所示的实施例可知，当波导镜片20相对于标准显示位置存在偏转时，投影光机30向波导镜片20投射投影光线的方向应当和波导镜片20位于标准显示位置时输出的投影光线的方向平行；也即是说，当投影光机30设置在设备本体10内而不随波导镜片20偏转时，是不需要对投影光机30进行旋转调整的；但由于波导镜片20相对于标准显示位置发生偏转后，投影光机30和波导镜片20之间的相对位置发生了变化，可能造成投影光机30输出的投影光线无法入射到波导镜片20内；因此此时偏转机构驱动投影光机30运动的方式即可以为平移移动，使得波导镜片20的耦入区能够位于投影光机30输出投影光线的输出光路上即可。对于投影光机30移动的距离和波导镜片20相对于标准显示位置偏转的偏转角度相关，这一偏转角度越大，需要移动的距离越大，对此可以基于基本的光学原理确定，对此本技术中不详细说明。
45.如上所示，对于具有上下翻转功能的波导镜片20而言，需要通过连接座40和设备本体10之间相互连接，为了使得用户手动翻转操作波导镜片20翻转过程中，能够稳定的翻转停留在用户眼睛的上方，还可以进一步地将连接座40和设备本体10之间设置阻尼件。
46.进一步地，在本技术的另一可选地实施例中，波导镜片20通过连接座40和设备本体10相连接；波导镜片20和连接座40之间通过转轴连接；转轴连接有驱动组件；驱动组件用于通过转轴驱动波导镜片20以竖直方向轴线为旋转轴左右摆动旋转。
47.参照图3， 在连接座40和波导镜片20之间可以设置有位于波导镜片20的中轴线上的转轴，该转轴一端和波导镜片20固定连接另一端插入连接座40内，并在该连接座40内连接驱动组件，通过驱动组件驱动转轴以自身所在直线为中心旋转，即可带动波导镜片20的左右翻转。且为了保证波导镜片20左右翻转的稳定性，可以进一步地在该转轴和驱动组件之间设置阻尼件，使得连接座40和波导镜片20之间为阻尼式转动。参照图4所示的光路图，通过波导镜片20的左右翻转，可改变合像画面的远近，例如图4所示实线光路成像位置位于a点，而当两个波导镜片翻转后，成像位置点移动至a’点；此外通过左右翻转两个波导镜片20，还可使得两个波导镜片20能够翻转至更贴合人脸设计的位置，满足人体工程学，进而进一步提升用户体验；波导镜片20的转动可以手动实现，或者也可以通过电控实现，对此本技术中不做具体限制。
48.进一步地，波导镜片20包括左波导镜片和右波导镜片，驱动组件包括第一驱动组件和第二驱动组件，第一驱动组件和第二驱动组件分别用于驱动左波导镜片和右波导镜片独立左右摆动旋转。
49.参照图4，当波导镜片20的对称式左右翻转实现合像画面远近的改变，而当波导镜片20的非对称式左右翻转实现合像画面远近改变的同时，还可实现合像画面在真实环境中左右位置的改变，即合像画面不一定保持在视野中心位置处，人的视野一般习惯在中心位
置处，在骑行中，如果合像画面一直处于视野中心位置处，会对环境视野造成一定的干扰，通过使合像画面偏离视野中心位置处，既不影响骑行安全，又不影响对虚拟图像的观察。
50.可以理解的是，该两个波导镜片20在实际进行左右翻转过程中，两个波导镜片20是需要相互配合显示的，为了保证其显示效果，分别驱动第一驱动组件和第二驱动组件的处理器可以是同一个处理器也可以是两个相互通讯的处理器，以保证两个波导镜片20能够相互配合的独立左右翻转。
51.综上所述，本技术中所提供的ar显示设备中，设置了能够对波导镜片位置进行检测的角度传感器，能够控制投影光机旋转的偏转机构以及控制偏转机构工作的处理器，一旦检测确定该波导镜片相对于标准显示位置存在偏转，处理器即可控制偏转机构驱动投影光机相对于波导镜片旋转，进而改变投影光机向波导镜片输出投影光线的方向，从而实现对经过波导镜片的投影光线的光路的调整，实现投影光线良好的成像效果，进而是的波导镜片在相对于标准显示位置存在偏离的情况下，也能够实现投影画面良好的显示效果，在一定程度上提升了用户的使用体验。
52.本技术还提供了一种ar头戴设备，该ar头戴设备包括上述任意实施例所述的ar显示设备。
53.该ar头戴设备具体可以是ar眼镜、ar头盔等设备，本技术中不做详细说明。
54.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、
ꢀ“
包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本技术实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
55.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。