一种近眼显示系统及增强现实设备的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种近眼显示系统及增强现实设备，所述近眼显示系统包括：扫描光源、焦距镜组、可反可透平面镜和可反可透凹面镜；所述扫描光源输出的扫描光线经过所述焦距镜组后，被所述可反可透平面镜反射至可反可透凹面镜，经过所述可反可透凹面镜会聚反射后，再经所述可反可透平面镜后被人眼接收；外界环境光线依次经过所述可反可透凹面镜和所述可反可透平面镜后被人眼接收。本发明实施例提供的近眼显示系统中采用了传统光学器件来将扫描光线和外界环境光线传递至人眼，保证了本发明实施例提供的近眼显示光学系统提供的虚拟图像色彩的准确性，同时保证了虚拟图像的亮度的均匀性。
【专利说明】
一种近眼显示系统及増强现实设备
技术领域
[0001]本发明涉及增强现实领域，尤其涉及一种近眼显示系统及增强现实设备。
【背景技术】
[0002]增强现实(英文:Augmented Reality;简称:AR)，是利用虚拟物体或信息对真实场景进行现实增强的技术。增强现实技术通常基于摄像头等图像采集设备获得的真实物理环境影像，通过计算机系统识别分析及查询检索，将与之存在关联的文本内容、图像内容或图像模型等虚拟生成的扩展信息或虚拟场景显示在真实物理环境影像中，从而使用户能够获得身处的现实物理环境中的真实物体的标注、说明等相关扩展信息，或者体验到现实物理环境中真实物体的立体的、突出强调的增强视觉效果。
[0003]现有的增强现实设备一般通过平板波导技术或衍射波导技术将光线引入人眼中，以平板波导技术为例，请参考图1，图1为现有技术中平板波导技术对应的光路图，如图1所示，每一光束被每一内嵌反射镜的多次反射和透射，在人眼100处观察到的虚拟图像的亮度不均，且由于不同波段的光谱在波导内的折射率不一样，反射和透射的角度不一样，光透射和反射系数不一样，从而导致在人眼100处观察到的虚拟图像的色彩不均，并且随着光线的透射次数和反射次数的增加，光线的损失率也逐渐增高，导致虚拟图像的亮度也逐渐降低，极大地影响了用户体验;而衍射波导技术中衍射元件本身就具有色散大的缺陷，并且衍射效率对入射光谱的波长和角度很敏感，从而导致在人眼处观察到的虚拟图像的色彩和亮度不均，也会极大地影响用户体验。
[0004]因此，现有技术中存在增强现实设备提供的虚拟图像的色彩和亮度不均的技术问题，极大地影响了增强现实设备的用户体验。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种近眼显示系统及增强现实设备，解决了现有技术中存在的增强现实设备提供的虚拟图像的色彩和亮度不均的技术问题，能够为用户提供色彩和亮度均匀的虚拟图像。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明实施例第一方面提供了一种近眼显示系统，包括:扫描光源、焦距镜组、可反可透平面镜和可反可透凹面镜；
[0007]所述扫描光源输出的扫描光线经过所述焦距镜组后，被所述可反可透平面镜反射至可反可透凹面镜，经过所述可反可透凹面镜会聚反射后，再经所述可反可透平面镜后被人眼接收；
[0008]外界环境光线依次经过所述可反可透凹面镜和所述可反可透平面镜后被人眼接收。
[0009]可选地，所述扫描光源设置于所述焦距镜组上方，所述可反可透平面镜设置于所述焦距镜组下方，且所述可反可透平面镜位于所述可反可透凹镜与人眼之间。
[0010]可选地，所述扫描光源包括光束提供单元和二维扫描器件，所述光束提供单元用于发出准直光线，所述二维扫描器件用于将所述准直光线在两个不同的方向上进行扫描，输出所述扫描光线。
[0011 ] 可选地，所述光束提供单元具体包括激光发生器和准直组件，所述激光发生器用于生成激光，所述准直组件用于将所述激光进行准直处理，以输出所述准直光线。
[0012]可选地，所述光束提供单元还包括光纤耦合组件和光纤，所述光纤耦合组件用于将所述激光发生器生成的激光耦合进入所述光纤，所述光纤将所述激光发射至所述准直组件。
[0013]可选地，所述光纤的出射端研磨为曲面结构。
[0014]可选地，所述二维扫描器件具体为DMD、二维MEMS振镜、双单轴MEMS振镜、EOD或液晶光栅。
[0015]可选地，所述焦距镜组包括定焦镜组或可变焦镜组。
[0016]可选地，所述可变焦镜组具体为液晶透镜。
[0017]本发明实施例第二方面提供了一种增强现实设备，包括如第一方面任一所述的近眼显示系统。
[0018]本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点:
[0019]本发明实施例提供的近眼显示系统中采用了传统光学器件来将扫描光线和外界环境光线传递至人眼，由于传统光学器件在传递图像光线时具有低色散的优点，所以保证了本发明实施例提供的近眼显示光学系统提供的虚拟图像色彩的准确性，同时图像光线进入人眼的损失率相同，不存在同一图像的一部分光线的损失率较低而另一部分光线的损失率较高而出现的亮度不均匀的现象，从而保证了虚拟图像的亮度的均匀性，避免了因虚拟图像的色彩和亮度不均而影响增强现实设备的用户体验。
【附图说明】
[0020]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图:
[0021 ]图1为现有技术中平板波导技术对应的光路图；
[0022]图2为本发明实施例提供的近眼显示系统的结构示意图；
[0023]图3为本发明实施例提供的扫描光源201的结构示意图；
[0024]图4A和图4B为光纤20114的出射端为曲面结构的两种实现方式的示意图。
【具体实施方式】
[0025]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作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。
[0026]本发明实施例第一方面提供了一种近眼显示系统，请参考图2，图2为本发明实施例提供的近眼显示系统的结构示意图，如图2所示，该近眼显示系统包括:扫描光源201、焦距镜组202、可反可透平面镜203和可反可透凹面镜204;
[0027]扫描光源201输出的扫描光线经过焦距镜组202后，被可反可透平面镜203反射至可反可透凹面镜204，经过可反可透凹面镜204会聚反射后，再经可反可透平面镜203后被人眼接收，这样，通过人眼的视网膜的视觉暂留现象，扫描光线在就能够在人眼中形成虚拟图像；
[0028]外界环境光线依次经过可反可透凹面镜204和可反可透平面镜203后被人眼接收，从而能够在人眼中形成外界环境图像。
[0029]可以看出，本发明实施例提供的近眼显示系统能够向用户同时提供扫描光源201输出的扫描光线和外界环境光线，使得扫描光线形成的虚拟图像能够叠加在外界环境光线形成的外界环境图像上，从而能够向用户提供增强现实的体验。
[0030]通过上述结构可以看出，本发明实施例提供的近眼显示系统中采用了传统光学器件来将扫描光线和外界环境光线传递至人眼，由于传统光学器件在传递图像光线时具有低色散的优点，所以保证了本发明实施例提供的近眼显示光学系统提供的虚拟图像色彩的准确性，同时图像光线进入人眼的损失率相同，不存在同一图像的一部分光线的损失率较低而另一部分光线的损失率较高而出现的亮度不均匀的现象，从而保证了虚拟图像的亮度的均匀性，避免了因虚拟图像的色彩和亮度不均而影响增强现实设备的用户体验。
[0031]在本实施例中，扫描光源201设置于焦距镜组202上方，可反可透平面镜203设置于焦距镜组202下方，且可反可透平面镜203位于可反可透凹镜与人眼之间。
[0032]在本实施例中，请继续参考图2，如图2所示，扫描光源201包括光束提供单元2011和二维扫描器件2012，光束提供单元2011用于发出准直光线，二维扫描器件2012用于将准直光线在两个不同的方向上进行扫描，输出扫描光线。
[0033]请参考图3，图3为本发明实施例提供的扫描光源201的结构示意图，如图3所示，光束提供单元2011具体包括激光发生器20111和准直组件20112，激光发生器20111用于生成激光，准直组件20112用于将激光进行准直处理，以输出准直光线。
[0034]在本实施例中，请继续参考图3，激光发生器20111具体包括红色激光发生单元201111、蓝色激光发生单元201112和绿色激光发生单元201113，以及第一滤波片201114和第二滤波片201115，第一滤波片201114能够反射红色激光且透射蓝色激光和绿色激光，第二滤波片201115能够反射蓝色激光且透射绿色激光，这样，通过第一滤波片201114和第二滤波片201115，即能够将红色激光发生单元201111、蓝色激光发生单元201112和绿色激光发生单元201113各自生成的激光親合到一起，同时，通过分别控制红色激光发生单元201111、蓝色激光发生单元201112和绿色激光发生单元201113输出的能量，即能够控制耦合后的激光的颜色。
[0035]在具体实施过程中，可以在第一滤波片201114和第二滤波片201115上镀上选用二氧化硅(化学式:S12)和五氧化二钽(化学式:Ta2O5)等材料形成的薄膜，使得第一滤波片201114能够反射红色激光且透射蓝色激光和绿色激光，且第二滤波片201115能够反射蓝色激光且透射绿色激光，在此就不再赘述了。
[0036]请继续参考图3，在本实施例中，光束提供单元2011还包括光纤耦合组件20113和光纤20114，光纤耦合组件20113用于将激光发生器生成的激光耦合进入光纤，光纤20114将激光发射至准直组件。
[0037]在具体实施过程中，光纤20114的出射端研磨为曲面结构，请参考图4A和图4B，图4A和图4B为光纤20114的出射端为曲面结构的两种实现方式的示意图，如图4A所示，光纤20114的出射端201141为一个完整的曲面结构，如图4B所示，光纤20114的出射端201141为圆锥台加上一个曲面结构。
[0038]通过将光纤20114的出射端研磨为曲面结构，可以扩大出射光束的数值孔径，在短距离的条件下更容易获得更宽的光束，从而在较短的距离内达到二维扫描器件2012需要的光束宽度，从而减少光纤20114的出射端与二维扫描器件2012之间的距离，增加了扫描光源201的紧凑程度，进而减少了扫描光源201所占的体积。
[0039]在具体实施过程中，准直组件20112可以由一个凸透镜组成，也可以由能够实现同样功能的多个透镜组成，在此不做限制。
[0040]在另一实施例中，还可以将激光发生器20111发出的激光直接射入到准直组件20112中，在此就不再赘述了。
[0041 ] 请继续参考图2，在本实施例中，二维扫描器2012具体为DMD、二维MEMS振镜、双单轴MEMS振镜、电光偏转器或液晶光栅。
[0042]DMD(英文:Digital Micromirror Device;中文:数字微镜装置)包括控制电路和多个可转动的微镜片，通过向控制电路发送对应的控制信号，就能够通过控制电路控制对应的微镜片转动，从而实现控制对应的光线偏转，实现扫描的目的。
[0043]MEMS(英文:Micro-Electro-Mechanical System；中文:微机电系统)振镜又被称为MEMS扫描振镜，能够将前述的扫描光源201输出的光线进行反射，只要MEMS振镜扫描的速度足够快，就能够根据人眼的视觉暂留现象，在用户的人眼中形成相应的虚拟图像。
[0044]在具体实施过程中，可以采用一个二维的MEMS振镜，或者采用两个一维的MEMS振镜组合也即双单轴MEMS振镜来实现，在此不做限制。
[0045]EOD(英文= Electro Optic Deflector;简称:电光偏转器)是效率较高的光束角度改变器件，由电光材料制作而成，可以在电压的作用下控制光线的偏转角度，电光材料例如可以是铌酸钾晶体(化学式:KNbO3)或铌酸锂晶体(化学式:LiNbO3)等等，当然，还可以在电光材料上加上四极子电场来产生使得折射率随着加的电压而产生线性变化，以消除普通偏转器上的压电效应，在此就不再赘述了。
[0046]液晶光栅是指通过电场来控制液晶分子形成光栅，并通过控制光栅周期中每个台阶的高度，也即通过控制入射光通过台阶前后的相位差，来实现扫描，液晶光栅可以实质上等效为玻璃基质的阶梯型闪耀光栅，在此就不再赘述了。
[0047]在具体实施过程中，液晶光栅可以分为反射式液晶光栅和透射式液晶光栅，如图2所示，在本实施例中，二维扫描器2012具体为反射式液晶光栅，在另一实施例中，二维扫描器2012可以为透射式液晶光栅，则光束提供单元2011的出射光路会穿过透射式液晶光栅，在此就不再赘述了。
[0048]上述部分介绍了扫描光源201的具体结构，在接下来的部分中，将介绍扫描光源201的运行原理:
[0049]首先，上位机(如近眼显示系统所在的增强现实设备的处理器)接收到需要显示的虚拟图像(或虚拟视频)后，将每一帧图像转换成RGB三种颜色的灰度值数据;例如，激光器设置的最大能量为E，每种颜色的灰度等级为8位，即有256个灰度等级，单位灰度对应的激光需求能量为E/256;
[0050]然后，激光器驱动组件和二维扫描器2012接收到显示虚拟图像的指令时，激光器驱动组件驱动激光发生器20111中的各个激光发生单元发出对应等级的激光，耦合之后即获得虚拟图像上对应的像素点的颜色，而二维扫描器2012此时则将激光发生器20111发出的光线偏转至对应的角度，同理，对于虚拟图像上的下一个像素点，也前述方式进行显示，直到完成该帧图像上所有的像素点，一个优选的方案为，将二维扫描器2012的最大扫描位置或最小扫描位置作为扫描起点。
[0051]二维扫描器2012从O设置位开始扫描，O设置为可以是任意，优选的，为mems扫描范围的最大或最小为;扫描速率为V，mems驱动模块将当前的mems位置信息传递给激光驱动模块根据接收到的mems位置信息获得该位置信息对应的需显示图像像素的灰度值，并将该灰度值转换为调制激光能量，可以采用时序的方法依次显示该显示视场的RGB三色光信息，优先的，三路GRB激光驱动根据该显示视场对应每一帧的RGB灰度值同步调制RGB光源亮度
[0052]请继续参考图2，如图2所示，焦距镜组202具体可以包括定焦镜组或可变焦镜组。
[0053]定焦镜组可以包括位置固定的一个或者多个光学透镜，该定焦镜组的焦距不可变化，此时也即人眼的最佳观察位置是固定的，例如可以应用在头盔式增强现实设备或帽子式增强现实设备中。
[0054]可变焦镜组可以机械变焦镜组，也可以是非机械变焦镜组，在一个实施例中，可以通过机械结构如滑轨、齿轮或者铰链等方式，来调节多个光学透镜之间的距离，从而实现调节整个光学镜组的焦距的效果;在另一个实施例中，可变焦镜组具体可以为液晶透镜，液晶透镜在电场的作用下改变折射率，所以通过改变电场即能够实现改变液晶透镜的焦距的效果，与机械变焦镜组相比，液晶透镜具有体积小、厚度薄、易于集成、成像质量较好和响应时间较快的优点。
[0055]可以看出，通过本发明实施例提供的可变焦镜组，能够使得近视眼用户或者远视眼用户在使用本发明实施例提供的近眼显示系统时无需再佩戴眼镜，方便了近视眼用户或者远视眼用户的使用。
[0056]请继续参考图2，如图2所示，可反可透平面镜203可以为平面可反可透平面镜，该平面可反可透平面镜所在的平面与人眼的水平视线呈30度?60度的夹角，较优地，该平面可反可透平面镜所在的平面与人眼的水平视线呈45度的夹角。
[0057]在实际应用中，可反可透平面镜203可以是在平板玻璃上镀上一层可反可透膜而得到，可反可透膜具体可以通过在平板玻璃上镀选用具有高折射率的硫化锌(化学式:ZnS)和具有低折射率的氟化镁(化学式:MgF2)等材料形成的膜层，具体地，以采用折射率为2.3的硫化锌和折射率为1.38的氟化镁为例，可以通过G IHLHL | A或者G | 2LHLHL | A的镀膜结构来实现可透可反的功能，其中，G为玻璃基材，H为硫化锌，L氟化镁，2L表示镀两层氟化镁，A表示空气，在实际应用中，可以通过膜层的厚度来控制透射光和反射光的比例，例如可以将透射光和反射光的比例控制为I: I等等，在此就不再赘述了。
[0058]在具体实施过程中，请继续参考图2，如图2所示，可反可透凹面镜204可以为一旋转对称非球面面型的凹面镜，具有放大的功能，并在近人眼一侧镀有具有某一透射比的膜层，如透射光与反射光的比为3:7，或1:1等等，当然，还可以在可反可透凹面镜204在远离人眼一侧镀如抗紫外线，抗辐射等多种功能性膜层，在此不做限制。
[0059]扫描光源201输出的扫描光线在经过焦距镜组202后，就会被可反可透平面镜203反射至可反可透凹面镜204，经过可反可透凹面镜204会聚反射后，再经可反可透平面镜203后被人眼接收，这样，通过人眼的视网膜的视觉暂留现象，扫描光线在就能够在人眼中形成虚拟图像；同时，外界环境光线依次经过可反可透凹面镜204和可反可透平面镜203后被人眼接收，从而能够在人眼中形成外界环境图像，从而使得扫描光线形成的虚拟图像能够叠加在外界环境光线形成的外界环境图像上，从而能够向用户提供增强现实的体验。
[0060]可以看出，本发明实施例提供的近眼显示系统中采用了传统光学器件来将扫描光线和外界环境光线传递至人眼，由于传统光学器件在传递图像光线时具有低色散的优点，所以保证了本发明实施例提供的近眼显示光学系统提供的虚拟图像色彩的准确性，同时图像光线进入人眼的损失率相同，不存在同一图像的一部分光线的损失率较低而另一部分光线的损失率较高而出现的亮度不均匀的现象，从而保证了虚拟图像的亮度的均匀性，避免了因虚拟图像的色彩和亮度不均而影响增强现实设备的用户体验。
[0061]本发明实施例第二方面提供了一种增强现实设备，包括如第一方面介绍的近眼显示系统。
[0062]在第一方面中已经详细介绍了近眼显示系统的具体结构以及运行过程，在此就不再赘述了。
[0063]本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点:
[0064]本发明实施例提供的近眼显示系统中采用了传统光学器件来将扫描光线和外界环境光线传递至人眼，由于传统光学器件在传递图像光线时具有低色散的优点，所以保证了本发明实施例提供的近眼显示光学系统提供的虚拟图像色彩的准确性，同时图像光线进入人眼的损失率相同，不存在同一图像的一部分光线的损失率较低而另一部分光线的损失率较高而出现的亮度不均匀的现象，从而保证了虚拟图像的亮度的均匀性，避免了因虚拟图像的色彩和亮度不均而影响增强现实设备的用户体验。
[0065]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0066]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。
[0067]本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【主权项】
1.一种近眼显示系统，其特征在于，包括:扫描光源、焦距镜组、可反可透平面镜和可反可透凹面镜； 所述扫描光源输出的扫描光线经过所述焦距镜组后，被所述可反可透平面镜反射至可反可透凹面镜，经过所述可反可透凹面镜会聚反射后，再经所述可反可透平面镜后被人眼接收； 外界环境光线依次经过所述可反可透凹面镜和所述可反可透平面镜后被人眼接收。2.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述扫描光源设置于所述焦距镜组上方，所述可反可透平面镜设置于所述焦距镜组下方，且所述可反可透平面镜位于所述可反可透凹镜与人眼之间。3.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述扫描光源包括光束提供单元和二维扫描器件，所述光束提供单元用于发出准直光线，所述二维扫描器件用于将所述准直光线在两个不同的方向上进行扫描，输出所述扫描光线。4.如权利要求3所述的近眼显示系统，其特征在于，所述光束提供单元具体包括激光发生器和准直组件，所述激光发生器用于生成激光，所述准直组件用于将所述激光进行准直处理，以输出所述准直光线。5.如权利要求4所述的近眼显示系统，其特征在于，所述光束提供单元还包括光纤耦合组件和光纤，所述光纤耦合组件用于将所述激光发生器生成的激光耦合进入所述光纤，所述光纤将所述激光发射至所述准直组件。6.如权利要求5所述的近眼显示系统，其特征在于，所述光纤的出射端研磨为曲面结构。7.如权利要求3所述的近眼显示系统，其特征在于，所述二维扫描器件具体为DMD、二维MEMS振镜、双单轴MEMS振镜、EOD或液晶光栅。8.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述焦距镜组包括定焦镜组或可变焦镜组。9.如权利要求8所述的近眼显示系统，其特征在于，所述可变焦镜组具体为液晶透镜。10.—种增强现实设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一权项所述的近眼显示系统。
【文档编号】G02B27/01GK105892058SQ201610344148
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】黄琴华, 周旭东, 喻秀英
【申请人】成都理想境界科技有限公司