一种具有大视场角的AR设备的制作方法

本技术属于增强现实领域，特别涉及一种具有大视场角的ar设备。

背景技术：

1、增强现实(augmented reality，ar)技术是一种将虚拟信息和现实场景巧妙融合的技术，通过一系列光学元件，将虚拟信息叠加到真实场景中，近年来受到广泛关注。增强现实显示设备是实现增强现实技术的关键。增强现实显示设备通常佩戴在用户的眼部，例如以眼镜形式呈现，或者以头戴显示设备的形式呈现。通过增强现实显示设备，用户可以同时观察到该系统投射出的增强内容和现实世界的真实景物。

2、作为贴近眼睛的显示设备，增强现实显示设备需要具有重量轻、体积小、便于佩戴等的特点。专利us11448879b1公开了一种增强现实设备，包括一体式棱镜,该棱镜可以具有耦合在一起的两个部分，耦合部位为一个光学反射表面，光线从光源透过光学反射表面,再从底部的反射镜反射回到光学反射表面，然后将光线导向用户形成虚拟信息。增强现实显示设备还包括夹子，将增强现实设备可移除地夹在用户佩戴的眼镜的前面，这使得增强现实显示设备小巧轻便，制作成本较少，且便于携带。

3、但现有技术需要通过反射定律实现光路折叠，光线的传播方向受限于反射定律，且由于增强现实显示设备的厚度具有限制，因此所提供的虚拟信息图像视场角受限，不能很好地提供沉浸式增强现实体验，且光学反射表面需要加工为曲面以使光线能够成像，而曲面的加工需要更多的成本。同时，现有技术中增强现实显示设备没有调焦功能，成像面固定，长时间观看容易引起眩晕等的问题，且无法满足不同用户的佩戴需求。

4、基于上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种具有大视场角的ar设备，利用衍射元件代替反射元件，使光路不再受限于反射定律，具有更强的灵活性，在ar设备厚度保持不变的情况下，可以提供更大的视场角，使用户获得更好的体验感。同时，衍射元件表面可以为平面，加工更加方便，降低生产成本，有利于ar设备的量产，并且还具备调焦功能。

技术实现思路

1、针对上述的技术问题，本实用新型的目的在于提供一种具有大视场角的ar设备，利用衍射层代替反射元件，使得ar设备的光路突破反射定律的限制，能够提供一个较大的视场角，且衍射层表面为平面，便于加工且成本更低，有利于ar设备的量产。其具体方案如下：

2、一种具有大视场角的ar设备，包括：图像源；透镜，位于图像源下方；棱镜组件，位于所述透镜的下方；

3、所述图像源，用于发射图像光；

4、所述透镜，用于调制图像光的发散角，以放大图像；

5、所述棱镜组件，位于所述图像源的下方依次设置的第一棱镜和第二棱镜；

6、所述第一棱镜与所述第二棱镜之间设有衍射层；所述衍射层衍射的光线汇聚于视点。

7、所述图像源发出的光线经过所述透镜后，在所述棱镜组件内传播。光线在所述第一棱镜内发生全反射后入射所述第二棱镜，并在下表面发生反射，入射至所述衍射层。所述衍射层能够衍射图像光，将图像光衍射至视点。

8、优选地，所述视点与所述衍射层平面中心点的连线与衍射层平面的垂线之间的夹角不超过10°，此时，ar设备具有较大的视场角。

9、优选地，所述视点与所述衍射层平面中心点的连线为水平线或所述视点的位置略高于与所述衍射层平面中心点，以使虚拟图像处于人眼水平观察或略向下方观察的位置，更符合人眼观察习惯。

10、可选地，所述衍射层可以为反射式衍射元件或透射式衍射元件。

11、进一步地，所述第二棱镜的下表面设有光学层，所述光学层为反射元件，以将更多的图像光反射回所述棱镜组件，提高光效，提高显示画面的亮度。

12、可选的，所述光学层还可以为衍射元件，以用于衍射图像光回到所述棱镜组件，图像光的衍射角度更加自由并能提高光效。

13、优选地，所述衍射层和所述光学层为全息光学元件，具有衍射效率高，厚度薄等的优势，以使ar设备的虚拟图像亮度更高，且能减小ar设备的体积。

14、优选地，所述衍射层和所述光学层为平面，以便于生产加工，降低生产成本，有利于ar设备的量产。

15、所述图像源发出的光线在所述棱镜组件内传播。全息光学元件具有角度选择性，光线在所述第一棱镜内发生一次全反射后，第一次入射衍射层，此时图像光不能够被衍射并直接透过所述衍射层，继续传播至第二棱镜，在第二棱镜的下表面的光学层处发生衍射，并再次以预设角度入射至所述衍射层。此时所述衍射层能够衍射图像光，并将图像光衍射至视点。

16、进一步地，所述衍射层为偏振全息元件，所述图像源为偏振光源，所述透镜和所述第一棱镜之间设有第一相位延迟器；所述光学层上方的所述第二棱镜内部设有第二相位延迟器。

17、所述图像源发出的光线为第一线偏振光，经过所述第一相位延迟器后变为第一圆偏振光。由于偏振全息元件具有偏振选择性，此时图像光不需要经过全反射可以直接穿过所述第一棱镜入射所述衍射层，ar设备的厚度进一步减小。当第一圆偏振光入射所述衍射层时，光线不发生衍射，直接透过所述衍射层继续在第二棱镜内传播，穿过第二相位延迟器并入射所述光学层，并被所述光学层反射回所述衍射层。由于图像光在入射所述光学层并被衍射的过程中光线第二次穿过过第二相位延迟器，图像光偏振状态发生变化，变为第二圆偏振光，能够被所述衍射层衍射，并汇聚于视点。

18、可选地，所述光学层为偏振全息元件且能够衍射第二线偏振光，图像光被衍射后重新以预设角度入射所述衍射层。

19、环境光透过所述棱镜组件到达用户眼睛，优选地，所述棱镜组件靠近人眼一侧的表面和其相对的表面为互相平行的平面，所述第一棱镜与衍射层的接触面和所述第二棱镜与衍射层的接触面可以完全重合，因此环境光透过后不发生畸变，以使人眼观察到真实的外界情况。

20、进一步地，所述图像源和所述透镜封装在图像部壳体中，所述图像部壳体和所述棱镜组件封装在外壳中，所述外壳具有螺纹孔；

21、所述ar设备还包括穿过所述螺纹孔与所述图像部壳体相连的至少一个螺钉，所述螺钉转动时带动所述图像源和所述透镜上下移动。由于所述透镜与所述图像源相对位置保持不变，光线离开所述透镜的发散角不变，而所述图像源与所述衍射层的距离变化，相当于改变ar设备成像的物距，从而改变成像面的深度，以使用户得到更好的体验感。

22、或者，所述图像源封装在图像部壳体中，所述透镜固定在图像部壳体外，所述图像部壳体和所述棱镜组件封装在外壳中，所述外壳具有螺纹孔；

23、所述ar设备还包括穿过所述螺纹孔与所述图像部壳体相连的至少一个螺钉，所述螺钉转动时带动所述图像源上下移动。由于所述图像源相对所述透镜位置变化，光线离开所述透镜的发散角也变化，相当于改变ar设备成像的物距，经过所述光学层和所述衍射层后成像面的深度也相应改变，使得ar设备的成像距离可调，以使用户得到更好的体验感。

24、或者，所述棱镜组件封装在外壳中，所述外壳具有螺纹孔；

25、所述棱镜组件还包括位于所述第二棱镜下方的第三棱镜，所述光学层设于所述第三棱镜上表面；

26、所述ar设备还包括穿过所述螺纹孔与所述第三棱镜相连的至少一个螺钉，所述螺钉转动时带动所述第三棱镜上下移动，以使贴附在所述第三棱镜上表面的光学层移动，进而改变光线从图像源到衍射层的光程大小，以使成像面的深度发生改变。

27、所述ar设备还包括连接在图像源靠近人眼一侧的连接件，所述连接件包括磁吸结构或夹子，用于将所述ar设备便捷地可移除地连接在用户佩戴的眼镜或其他头戴设备上。

28、本实用新型利用衍射元件代替现有技术中的反射元件，突破了反射定律对光线角度的限制，使得光线所汇聚的视点位置更加灵活，使得当厚度相同时，本实用新型能够获得更大的视场角，从而提供给用户更好的沉浸式体验。当所述视点位置与所述衍射层平面中心点的垂线越接近时，视场角越大，所述视点与所述衍射层平面中心点的连线与其垂线之间的夹角不超过10°，即可实现较好的视场角，以使用户获得良好的体验。同时，所述衍射层和所述光学层均为平面，以便于ar设备的加工，降低生产成本，有利于ar设备的量产。本实用新型还包括所述外壳上的螺纹孔和穿过所述螺纹孔的所述螺钉，用以改变所述图像源或所述第三棱镜的位置，以改变光程，进而使虚拟图像的成像面位置发生改变，以实现ar设备的调焦功能。