CN112014971A - Augmented reality display assembly and augmented reality display device with same - Google Patents
Augmented reality display assembly and augmented reality display device with same Download PDFInfo
- Publication number
- CN112014971A CN112014971A CN201910471929.5A CN201910471929A CN112014971A CN 112014971 A CN112014971 A CN 112014971A CN 201910471929 A CN201910471929 A CN 201910471929A CN 112014971 A CN112014971 A CN 112014971A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- birefringent crystal
- augmented reality
- crystal
- reality display
- unit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/017—Head mounted
- G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/017—Head mounted
- G02B2027/0178—Eyeglass type
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
Abstract
Description
技术领域technical field
本发明涉及增强现实技术领域,尤其涉及一种增强现实显示组件及具有该组件的增强现实显示设备。The present invention relates to the technical field of augmented reality, and in particular, to an augmented reality display assembly and an augmented reality display device having the assembly.
背景技术Background technique
增强现实技术(Augment Reality,AR)能够在屏幕上集成虚拟世界以及现实世界,其通过视觉、听觉等多感官模拟信息与真实环境信息的实时叠加,达到超越和增加现实的感官体验,在娱乐、医疗、军事等多领域具有极为广泛的应用前景。增强现实显示组件是整个系统的核心组件,其直接向用户显示模拟信息与环境信息的叠加影像。现有的增强现实显示组件在使用两个双折射晶体从而实现在多景深图像显示的基础上保证图像的球面高质量显示,但是现有的增强现实显示组件在实现多景深显示时容易出现图像错位,这容易降低图像显示的清晰度和影响用户的体验度。Augment Reality (AR) can integrate the virtual world and the real world on the screen. It achieves a sensory experience that surpasses and increases reality through the real-time superposition of multi-sensory simulation information such as vision and hearing and real environmental information. It has a wide range of application prospects in medical, military and other fields. The augmented reality display component is the core component of the entire system, which directly displays the superimposed image of simulated information and environmental information to the user. The existing augmented reality display components use two birefringent crystals to ensure the spherical high-quality display of images on the basis of multi-depth-of-field image display, but the existing augmented reality display components are prone to image dislocation when realizing multi-depth-of-field display. , which easily reduces the clarity of the image display and affects the user's experience.
发明内容SUMMARY OF THE INVENTION
有鉴于此,有必要提供一种改进的增强现实显示组件及具有该组件的增强现实显示设备,该增强现实显示组件能够克服多景深显示时出现的图像错位问题,具有广泛的应用前景和极佳的经济效应。In view of this, it is necessary to provide an improved augmented reality display assembly and an augmented reality display device having the same. The augmented reality display assembly can overcome the problem of image misalignment during multi-depth display, and has broad application prospects and excellent economic effect.
本发明提供一种增强现实显示组件,包括图像单元、目镜单元以及设置于所述图像单元及目镜单元之间的折射单元,所述折射单元包括第一光开关、第一双折射晶体、第一相位延迟器以及第二双折射晶体,所述第一关开关设置于所述图像单元以及第一双折射晶体之间,所述第一相位延迟器的相位延迟为π/2并且设置于所述第一双折射晶体与第二双折射晶体之间;The present invention provides an augmented reality display assembly, comprising an image unit, an eyepiece unit, and a refraction unit disposed between the image unit and the eyepiece unit, the refraction unit comprising a first optical switch, a first birefringent crystal, a first a phase retarder and a second birefringent crystal, the first switch is arranged between the image unit and the first birefringent crystal, the phase retardation of the first phase retarder is π/2 and is arranged in the between the first birefringent crystal and the second birefringent crystal;
所述折射单元还包括第一起偏器、第三双折射晶体以及第四双折射晶体,所述第一起偏器设置于所述图像单元与第一光开关之间,所述第三双折射晶体设置于所述第一双折射晶体以及第一相位延迟器之间,所述第四双折射晶体设置于所述第二双折射晶体以及目镜单元之间;The refraction unit further includes a first polarizer, a third birefringent crystal and a fourth birefringent crystal, the first polarizer is arranged between the image unit and the first optical switch, and the third birefringent crystal is arranged between the first birefringent crystal and the first phase retarder, and the fourth birefringent crystal is arranged between the second birefringent crystal and the eyepiece unit;
命名所述第一起偏器输出的线偏振光的偏振方向为第一方向,命名垂直于所述第一方向的方向为第二方向,所述第一双折射晶体的晶体光轴与第三双折射晶体的晶体光轴均垂直于所述第二方向,且所述第一双折射晶体的晶体光轴相对于所述第一方向形成θ1角度,所述第三双折射晶体的晶体光轴相对于所述第一方向形成﹣θ1角度;Name the polarization direction of the linearly polarized light output by the first polarizer as the first direction, name the direction perpendicular to the first direction as the second direction, and the crystal optical axis of the first birefringent crystal and the third birefringent crystal. The crystal optical axes of the refracting crystals are all perpendicular to the second direction, and the crystal optical axes of the first birefringent crystals form an angle θ 1 with respect to the first direction, and the crystal optical axes of the third birefringent crystals Form an angle of -θ 1 with respect to the first direction;
所述第二双折射晶体的晶体光轴与第四双折射晶体的晶体光轴均垂直于所述第一方向,所述第二双折射晶体的晶体光轴相对于所述第二方向形成θ2角度,所述第四双折射晶体的晶体光轴相对于所述第二方向形成﹣θ2角度。The crystal optical axis of the second birefringent crystal and the crystal optical axis of the fourth birefringent crystal are both perpendicular to the first direction, and the crystal optical axis of the second birefringent crystal forms θ relative to the second direction 2 angle, the crystal optical axis of the fourth birefringent crystal forms an angle of −θ 2 with respect to the second direction.
进一步地,所述θ1为45°;及/或,Further, the θ 1 is 45°; and/or,
所述θ2为45°。The θ 2 is 45°.
进一步地,所述折射单元还包括第二光开关,所述图像单元包括偏振反射器、第二相位延迟器以及光耦合器,所述第二光开关设置于所述第四双折射晶体与偏振反射器之间,所述第二相位延迟器设置于所述偏振反射器以及光耦合器之间并延迟所述偏振反射器以及光耦合器之间传输的偏振光相位。Further, the refraction unit further includes a second optical switch, the image unit includes a polarization reflector, a second phase retarder and an optical coupler, and the second optical switch is arranged between the fourth birefringent crystal and the polarization Between the reflectors, the second phase retarder is arranged between the polarization reflector and the optical coupler and delays the phase of the polarized light transmitted between the polarization reflector and the optical coupler.
进一步地,所述相位延迟器的相位延迟为π/4。Further, the phase delay of the phase retarder is π/4.
进一步地,所述折射单元还包括第二起偏器,所述第二起偏器设置于所述第二光开关与偏振反射器之间。Further, the refraction unit further includes a second polarizer, and the second polarizer is disposed between the second optical switch and the polarizing reflector.
进一步地,所述第一起偏器为偏振片;及/或,Further, the first polarizer is a polarizer; and/or,
所述第二起偏器为偏振片。The second polarizer is a polarizer.
进一步地,所述图像单元的亮度为5000尼特以上;及/或,Further, the brightness of the image unit is more than 5000 nits; and/or,
所述图像单元的刷新速率为120Hz以上。The refresh rate of the image unit is above 120 Hz.
进一步地,所述光开关的响应时间小于10毫秒;及/或,Further, the response time of the optical switch is less than 10 milliseconds; and/or,
所述光开关的透光率大于90%。The light transmittance of the optical switch is greater than 90%.
进一步地,所述图像单元的分辨率为1080P以上。Further, the resolution of the image unit is above 1080P.
本发明还提供一种增强现实显示设备,包括增强现实显示组件,所述增强现实显示组件为上述任意一项所述的增强现实显示组件。The present invention also provides an augmented reality display device, comprising an augmented reality display component, wherein the augmented reality display component is the augmented reality display component described in any one of the above.
本发明通过调整第一双折射晶体、第二双折射晶体、第三双折射晶体以及第四双折射晶体的光轴位置,使得不同双折射晶体单元上的图像对称分布,从而使得叠加后的图像能够保持一致,进而消除了图像错位,提高了图像的清晰度,具有广泛的应用前景和极高的经济价值。The present invention adjusts the optical axis positions of the first birefringent crystal, the second birefringent crystal, the third birefringent crystal and the fourth birefringent crystal, so that the images on different birefringent crystal units are symmetrically distributed, so that the superimposed images are It can maintain consistency, thereby eliminating image dislocation, improving image clarity, and has broad application prospects and extremely high economic value.
附图说明Description of drawings
图1为本发明一个实施方式中增强现实显示组件的结构示意图;FIG. 1 is a schematic structural diagram of an augmented reality display assembly in an embodiment of the present invention;
图2为目镜单元增加补偿面之后的光路示意图;Fig. 2 is a schematic diagram of the optical path after adding a compensation surface to the eyepiece unit;
图3为显示图像在第一景深处的MTF曲线;Fig. 3 is the MTF curve of the display image at the first depth of field;
图4为显示图像在第一景深处的畸变网格;Fig. 4 is the distortion grid showing the image at the first depth of field;
图5为显示图像在第二景深处的MTF曲线;Fig. 5 is the MTF curve of the display image at the second depth of field;
图6为显示图像在第二景深处的畸变网格;FIG. 6 is a distortion grid showing the image at the second depth of field;
图7为图1所示第一双折射晶体的光路示意图;Fig. 7 is the optical path schematic diagram of the first birefringent crystal shown in Fig. 1;
图8为图1所示第二双折射晶体的光路示意图;8 is a schematic diagram of the optical path of the second birefringent crystal shown in FIG. 1;
图9为图1所示第一相位延迟器的光路示意图;FIG. 9 is a schematic diagram of the optical path of the first phase retarder shown in FIG. 1;
图10为图1所示第一双折射晶体与第三双折射晶体的光路示意图;10 is a schematic diagram of the optical path of the first birefringent crystal and the third birefringent crystal shown in FIG. 1;
图11为图1所示第二双折射晶体与第四双折射晶体的光路示意图;11 is a schematic diagram of the optical path of the second birefringent crystal and the fourth birefringent crystal shown in FIG. 1;
图12为本发明另一实施方式中增强现实显示组件的结构示意图。FIG. 12 is a schematic structural diagram of an augmented reality display assembly in another embodiment of the present invention.
主要元件符号说明Description of main component symbols
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。The following specific embodiments will further illustrate the present invention in conjunction with the above drawings.
具体实施方式Detailed ways
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。The technical solutions in the embodiments of the present invention will be clearly and completely described below with reference to the accompanying drawings in the embodiments of the present invention. Obviously, the described embodiments are only a part of the embodiments of the present invention, rather than all the embodiments. Based on the embodiments of the present invention, all other embodiments obtained by those of ordinary skill in the art without creative efforts shall fall within the protection scope of the present invention.
需要说明的是,当组件被称为“装设于”另一个组件,它可以直接装设在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件,它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件,它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。It should be noted that when a component is referred to as being "mounted on" another component, it can be directly mounted on the other component or there may also be an intervening component. When a component is considered to be "set on" another component, it may be directly set on the other component or there may be a co-existing centered component. When a component is said to be "fixed" to another component, it may be directly fixed to the other component or there may also be an intervening component.
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terms used herein in the description of the present invention are for the purpose of describing specific embodiments only, and are not intended to limit the present invention. As used herein, the term "or/and" includes any and all combinations of one or more of the associated listed items.
请参阅图1,图1为本发明一个实施方式中增强现实显示组件100的结构示意图。增强现实显示组件100供用户观察,其用于显示投射到用户眼睛中的图像信息。Please refer to FIG. 1 , which is a schematic structural diagram of an augmented
本实施方式中,增强现实显示组件100应用于可穿戴增强现实眼镜(图未示)中,增强现实显示组件100作为该增强现实眼镜的镜片,用户通过穿戴该增强现实眼镜并观察增强现实显示组件100来观察虚拟环境信息以及现实环境信息。In this embodiment, the augmented
可以理解,在其他的实施方式中,增强现实显示组件100还应用于可穿戴头盔等其他的设备中,只要增强现实显示组件100能够被用户感知和观察到即可。It can be understood that in other embodiments, the augmented
增强现实显示组件100包括图像单元10、目镜单元20以及折射单元30,折射单元30位于图像单元10以及目镜单元20之间;图像单元10用于显示供用户观察的影像信息,目镜单元20用于汇聚经折射单元30折射后的影像光线并传输至人眼处成像,折射单元30用于可选择地折射图像单元10提供的影像光线。The augmented
图像单元10提供的影像光线通过折射单元30的选择性折射作用之后改变了自身的偏振方向,再经过目镜单元20的汇聚之后会在不同的位置点处汇聚,从而形成不同的景深。The image light provided by the
具体的,图像单元10为显示器,其可以采用CRT显示器、LCD显示器、PDP显示器或者OLED显示器。Specifically, the
本实施方式中,考虑到综合性能以及成本优势,本实施方式中的图像单元10选用索尼OLED屏ECX337A显示器,该显示器为微显示器,对角线长度仅为0.5英寸,分辨率达1280×960,在产品竞争力上较佳,用户体验也相对较优。In this embodiment, considering the comprehensive performance and cost advantages, the
可以理解,在其他的实施方式中,图像单元10还可以选用除索尼OLED屏ECX337A显示器之外的其他显示器,本发明并不限制图像单元10所采用显示器的具体类型,也不限制图像单元10所选用的显示器具体型号,只要图像单元10采用的显示器能够正常输出环境影像信息以及虚拟影像信息即可。It can be understood that, in other embodiments, the
目镜单元20位于用户眼睛以及图像单元10之间,目镜单元20可根据需要相对图像单元10倾斜设置,从而将图像信息顺利地导入用户眼睛处。The
可以理解,目镜单元20既可以采用正型目镜,也可以采用除正型目镜之外的如负型目镜等其他类型的目镜;目镜单元20所包含的目镜的数量既可以为一个,也可以为多个。It can be understood that the
折射单元30包括第一起偏器31、第一光开关32以及第一双折射晶体33,第一起偏器31设置于图像单元10与第一光开关32之间,第一双折射晶体33位于第一光开关32与目镜单元20之间。The
第一起偏器31用于将图像单元10显示的图像光线由自然光转变为线偏振光,第一光开关32用于调节线偏振光的偏振方向,从而使得图像单元10发出的线偏振光具有不同的偏振方向;第一双折射晶体33用于折射自第一光开关32透过的线偏振光,从而使得不同偏振方向的线偏振光具有不同的折射方向。The
自图像单元10发出的包含图像信息的自然光经过第一起偏器31的起偏作用下转变为线偏振光,再在第一光开关32的调节作用下形成不同的偏振方向,最终在第一双折射晶体33对不同偏振方向的偏振光的不同折射作用下形成双景深的图像显示。The natural light containing image information emitted from the
具体地,第一起偏器31能够在自然光状态下光线转变为偏振光,其利用特定材料在光学性质上的各向异性来实现对自然光的起偏。Specifically, the
本实施方式中,第一起偏器31采用偏振片来对图像单元10发出的包含图像信息的自然光进行起偏,第一起偏器31既可以采用电气石晶片等微晶型偏振片,也可也采用线栅偏振片等分子型偏振片。In this embodiment, the
可以理解,在其他的实施方式中,第一起偏器31还可以采用偏振分光棱镜等除偏振片之外的其他类型的起偏器,只要该类型的起偏器能够实现对图像信息的起偏即可。It can be understood that, in other embodiments, the
第一光开关32连接于第一起偏器31,其用于调节第一起偏器31输出的光信号的偏振方向。在第一光开关32打开时,第一光开关32作用于第一起偏器31;当第一光开关32关闭时,第一光开关32对第一起偏器31输出的光信号没有调节作用。The first
就第一光开关32本身结构而言,其可以采用常规结构。本实施方式中,第一光开关32采用液晶光阀;作为优选,第一光开关32的响应时间设置在10毫秒以下,第一光开关32的透光率设置为大于90%的范围。As for the structure of the first
可以理解,在其他的实施方式中,第一光开关32还可以采用电光开关、热光开关、声光开关、微机械光开关以及传统机械光开关等其他类型的光开关元件,只要该类型的第一光开关32能够实现对第一起偏器31的方向调节即可;第一光开关32的响应时间以及透光率可以根据实际的工况选择,例如第一光开关32的响应时间设置在10毫秒以上,第一光开关32的透光率设置为小于90%的范围。It can be understood that, in other embodiments, the first
第一双折射晶体33位于第一光开关32与目镜单元20之间的光路上,用于折射偏振光;第一双折射晶体33对不同偏振方向的线偏振光具有不同的折射率,第一双折射晶体33与第一光开关32之间的相互配合即可使得作用后的图像光线具有不同的传输方向。The first
在本实施例中,第一双折射晶体33为双折射晶体棱镜;第一双折射晶体33采用双折射晶体棱镜,可以使得光线在双折射晶体棱镜上的入射表面与双折射晶体棱镜的光轴以及出射表面之间相互平行,不同偏振方向的线偏振光在经过该第一双折射晶体33时仅仅折射率不同,主光线依然处于重合不错位的状态,并不会产生额外的像差。In this embodiment, the first
进一步地,第一双折射晶体33对O光的折射率为1.6585,对E光的折射率为1.4865。Further, the refractive index of the first
可以理解,在其他的实施方式中,第一双折射晶体33也可以除双折射晶体棱镜之外的其他形状,只要该形状和类型的第一双折射晶体33可以对第一光开关32调节后的线偏振光进行折射即可;第一双折射晶体33对不同偏振光(如O光或者E光)还可以采用除上述折射率之外的其他折射率,只要第一双折射晶体33对不同偏振方向的偏振光的折射率不同即可。It can be understood that in other embodiments, the first
在实际使用中,考虑到第一光开关32需要不断的切换自身的开关状态,第一光开关32优选具有较高的响应频率,从而使得第一光开关32具有足够的响应速度来切换自身的启闭状态并适配图像单元10的不同显示需求。In actual use, considering that the first
下面简单阐释增强现实显示组件100具有多景深的显示原理:The following briefly explains the display principle of the augmented
图像单元10产生的图像光线通过折射单元30中的第一起偏器31后仅会留存某一特性方向的线偏振光(如寻常光,简称O光);当第一光开关32开启,该线偏振光(O光)通过第一光开关32的调节作用后即会转变为另一偏振方向的线偏振光(如非常光,简称E光)。而当第一光开关32关闭时,第一光开关32不改变线偏振光的偏振方向,该线偏振光(O光)直接入射至第一双折射晶体33中;After the image light generated by the
第一双折射晶体33对不同方向的线偏振光的折射率不同;当第一光开关32开启时,第一双折射晶体33以第一折射角对O光进行折射,以O光形式的图像光线再经过目镜单元20的汇聚作用后汇聚至人眼处,从而获得可供用户观察且为第一景深的图像;当第一光开关32关闭时,第一双折射晶体33以第二折射角对E光进行折射,以E光形式的图像光线再经过目镜单元20的汇聚作用后汇聚至人眼处,从而获得可供用户观察且为第二景深的图像,从而完成增强现实显示组件100双景深的显示过程。The first
进一步地,当第一光开关32以适当的频率不断刷新时,人眼所察觉的景深可以介于第一景深以及第二景深之间,从而形成景深这一光学参数在第一景深以及第二景深上的可控调节。Further, when the first
需要说明的是,本发明并不限制第一光开关32仅可以实现对O光向E光的方向调节。可以理解,在其他的实施方式中,第一光开关32还可以实现E光向O光的方向调节。It should be noted that the present invention does not limit the first
本发明提供的增强现实显示组件100在图像单元10以及目镜单元20之间设置第一起偏器31、第一光开关32以及第一双折射晶体33,利用第一双折射晶体33对不同偏振方向上的偏振光的不同折射效果来形成不同景深的图像,如此可呈现任一深度的虚拟信息,解决了调节辐辏冲突,不仅提高了用户体验度,而且能够更加贴合人眼的观察习惯,能够避免用户在长期观察后出现疲劳、恶心、呕吐等不良反应,具有广泛的应用前景。In the augmented
在本发明的一个实施方式中,折射单元30还包括投影单元34,投影单元34位于第一双折射晶体33以及目镜单元20之间,投影单元34用于将第一双折射晶体33透过的线偏振光透射成放大的中继实像,投影单元34利用自身的中继放大作用使得折射单元30输出的图像信号可以较为清晰地传输至目镜单元20处,从而使得折射单元30与目镜单元20之间的传输损耗降低,可以实现在较长距离上的图像传输。In an embodiment of the present invention, the
进一步地,投影单元34的投射比优选为1.6以下,以减少投影单元的结构紧凑性,有效减少整个组件的空间尺度并减少光路空间,为工业设计留更多的余地,使之更符合人体工程学。Further, the projection ratio of the
本实施例中,投影单元34包括四片镜片,目镜单元20包括两片半透半反镜片。等效光路的数据如表1:In this embodiment, the
表1等效光路数据表Table 1 Equivalent Optical Path Data Sheet
请一并参阅图2,图2为目镜单元20增加补偿面之后的光路示意图。目镜单元20增加补偿面的作用是使人眼通过目镜单元观看真实世界时,真实世界的画面无扭曲变形。Please also refer to FIG. 2 . FIG. 2 is a schematic diagram of the optical path of the
请一并参阅图3至图6,图3为显示图像在第一景深处的MTF曲线,图4为显示图像在第一景深处的畸变网格,图5为显示图像在第二景深处的MTF曲线,图6为显示图像在第二景深处的畸变网格。Please refer to Fig. 3 to Fig. 6 together. Fig. 3 is the MTF curve showing the image at the first depth of field, Fig. 4 is the distortion grid showing the image at the first depth of field, and Fig. 5 is the graph showing the image at the second depth of field. MTF curve, Figure 6 shows the distortion grid of the image at the second depth of field.
本实施方式中,出瞳直径10mm,出瞳距离18mm,全视场角为50度。在第一深度和第二深度都获得了极好的成像质量,最大视场畸变小于0.2%,最大视场在截止频率30lp/mm处MTF(调制传递函数,Modulation Transfer Function)均大于0.4,第二深度最大视场在截止频率30lp/mm处MTF值更是达到了0.6以上,能够获得极好的光场显示效果。In this embodiment, the exit pupil diameter is 10 mm, the exit pupil distance is 18 mm, and the full field of view is 50 degrees. Excellent imaging quality is obtained at both the first depth and the second depth, the maximum field of view distortion is less than 0.2%, and the maximum field of view at the cut-off frequency of 30lp/mm MTF (Modulation Transfer Function, Modulation Transfer Function) is greater than 0.4. The MTF value of the maximum field of view in the second depth reaches more than 0.6 at the cut-off frequency of 30lp/mm, and an excellent light field display effect can be obtained.
在本发明的一个实施方式中,增强现实显示组件100还设置有控制单元(图未示),控制单元通过导线等媒介通信连接于第一光开关32以及图像单元10,其用于同步控制第一光开关32以及图像单元10的运行状态,并根据图像单元10所需要显示的景深控制第一光开关32的启闭。将控制单元集成在增强现实显示组件100的内部,可以提高整个系统的集成度,有助于整个系统控制功能的实现。In one embodiment of the present invention, the augmented
可以理解,在其他的实施方式中,控制单元也可以设置在增强现实显示组件100的外部,也即控制单元作为环境元件设置在增强现实显示组件100外部,只要该控制单元能够与第一光开关32以及图像单元10通信连接并协调控制第一光开关32以及图像单元10的运行状态即可。It can be understood that, in other embodiments, the control unit can also be arranged outside the augmented
在本发明的一个实施方式中,为了提升图像显示的质量,图像单元10的分辨率优选为1080P及以上,图像单元10的亮度优选为5000尼特(nit)以上。将图像单元10的分辨率以及亮度设置较高,有助于提高图像信息显示的逼真性和用户的体验度,使得虚拟图像信息叠加在真实图像信息上的逼真程度更高。In one embodiment of the present invention, in order to improve the quality of image display, the resolution of the
在本发明的一个实施方式中,为了保证用户的体验以及考虑到双景深的图像显示,图像单元10的刷新速率为120Hz以上(单景深60Hz的两倍及以上),以使得用户在进行观察时没有闪烁感;及/或,In one embodiment of the present invention, in order to ensure the user's experience and take into account the image display with dual depths of field, the refresh rate of the
第一起偏器31的消光比为10000:1以上,以使得第一起偏器31起偏后的偏振光不会同时存在o光以及e光,从而确保用户通过目镜单元20观察到的图像不会同时存在两个深度,避免图像串扰并提高成像的质量。The extinction ratio of the
在本发明的一个实施方式中,为了减少第一双折射晶体33的厚度,第一双折射晶体33对o光或e光的折射率差值优选大于0.2,从而缩小折射时对第一双折射晶体33厚度的需求,进一步的减少系统负荷。In an embodiment of the present invention, in order to reduce the thickness of the first
在本发明的一个实施方式中,为了提高用户的视野,本发明中的目镜单元30包括镜片21,镜片21为非球面镜,其面型方程为:In an embodiment of the present invention, in order to improve the user's field of vision, the
其中,c为曲面顶点处的曲率;k为曲面的二次曲面常数,Ai为曲面的i阶非球面系数。Among them, c is the curvature at the vertex of the surface; k is the quadratic surface constant of the surface, and A i is the i-order aspheric coefficient of the surface.
本发明中应用的镜片21具有大出瞳直径、长出瞳距离以及宽视场角的优点,大的出瞳直径可以满足使用者佩戴时斜视的情形,长出瞳距离可以满足近视镜及远视镜佩戴者的使用,而宽视场角可以更真实地呈现虚拟信息,使虚拟信息和真实世界更好地融合在一起。根据实验测量,本发明中应用的镜片21的视场角可达50°,具有较宽的视野和较佳的用户体验。The
当然了,增强现实显示组件100上还可以配设多种功能元件来实现用户体验度的提升,例如在增强现实显示组件100上还可以集成惯性测量单元(Inertial measurementunit,IMU),控制单元控制该惯性测量单元从而检测整机的位姿,进一步提高用户的体验度。Of course, the augmented
传统的增强现实显示组件在利用第一双折射晶体33在实现多景深图像显示时,由于双折射晶体本身对不同线偏振光的调节规律不同,会导致自身在进行图像显示时的成像质量难以同时保证。When the conventional augmented reality display assembly uses the first
例如,双折射晶体对O光的折射率并不随O光的入射角度变化而变化,双折射晶体对O光的折射率恒定,在进行图像显示时会呈现“球面镜”成像效果;而双折射晶体对E光的折射率会随着E光的入射角度变化而变化,其在自身弧矢和子午面处的折射率不同,在进行图像显示时会呈现“柱面镜”成像效果。这就导致在不同景深处的成像效果不同,用户在进行观察时会在具有不同成像效果的不同图像中来回切换,影响图像的正常观察。For example, the refractive index of the birefringent crystal to O light does not change with the incident angle of the O light. The refractive index of the birefringent crystal to the O light is constant, and it will show a "spherical mirror" imaging effect when displaying images; The refractive index of the E light will change with the incident angle of the E light, and the refractive index at its own sagittal and meridional planes will be different, which will present a "cylindrical mirror" imaging effect when displaying images. This results in different imaging effects at different depths of field, and the user will switch back and forth between different images with different imaging effects when observing, which affects the normal observation of the images.
本发明提供的增强现实显示组件100通过设置两个双折射晶体以及设置一个相位延迟器,使得不同景深处的成像效果保持一致,从而克服因采用单个双折射晶体而导致的图像质量下降问题。The augmented
具体地,折射单元30还包括第二双折射晶体35以及第一相位延迟器36,第一相位延迟器36位于第一双折射晶体33以及第二双折射晶体35之间,第二双折射晶体35位于第一相位延迟器36与目镜单元20之间。第一相位延迟器36的相位延迟为π/2,其用于将线偏振光转变为与原来振动方向相垂直的线偏振光。Specifically, the
当第一光开关32关闭之后,起偏器31起偏作用之后形成的线偏振光不被第一光开关32转换,此时通过第一双折射晶体33对处于初始状态的线偏振光形成“球面成像”的输出方式;该线偏振光经过第一相位延迟器36后的偏振方向与初始状态垂直,此时通过第二双折射晶体35依然形成“球面成像”的输出方式;总体而言,折射单元30在第一光开关32关闭之后形成“球面成像”的输出方式;When the first
当第一光开关32开启之后,起偏器31起偏作用之后形成的线偏振光被第一光开关32转换,此时通过第一双折射晶体33对处于被转换后的线偏振光形成“柱面成像”的输出方式;该线偏振光通过第一相位延迟器36转换为与初始状态振动方向相同的线偏振光,之后通过第二双折射晶体35依然形成“柱面成像”的输出方式,但是经过第一双折射晶体33和第二双折射晶体35形成的柱面互相垂直;总体而言,折射单元30在第一光开关32开启之后形成“球面成像”的输出方式。When the first
请一并参阅图7至图9,图7为图1所示第一双折射晶体33的光路示意图,图8为图1所示第二双折射晶体35的光路示意图,图9为图1所示第一相位延迟器36的光路示意图。Please refer to FIGS. 7 to 9 together. FIG. 7 is a schematic diagram of the optical path of the first
进入第一双折射晶体33内的光线沿传播方向301透过第一双折射晶体33;其中,将第一起偏器31起偏后的线偏振光的偏振方向命名为第一方向302,将垂直于第一方向302的方向命名为第二方向303,将第一双折射晶体33的晶体光轴331设置为位于传播方向301与第一方向302所构成的平面内,也即第一双折射晶体33的晶体光轴333优选垂直于第二方向303。The light entering the first
进入第二双折射晶体35内的光线沿传播方向301透过第二双折射晶体35;其中,将第一起偏器31起偏后的线偏振光的偏振方向命名为第一方向302,将垂直于第一方向302的方向命名为第二方向303,将第二双折射晶体35的晶体光轴351设置为位于传播方向301与第二方向303所构成的平面内,也即第二双折射晶体35的晶体光轴351优选垂直于第一方向302。如此,图像成像质量更佳。The light entering the second
再进一步地,第一双折射晶体33的晶体光轴331垂直于第二方向303且与第一方向301呈45°角,第二双折射晶体35的晶体光轴351优选垂直于第一方向302且与第二方向303呈45°角。如此,具有最佳的图像成像质量。Further, the crystal
进一步地,第一相位延迟器36的光轴361与光线的传播方向301相垂直,并与第一方向302以及第二方向303均呈45度角,从而完成限位延迟功能。Further, the
本发明利用第一双折射晶体33、第二双折射晶体35以及设置于第一双折射晶体33、第二双折射晶体35之间的第一相位延迟器36来实现多景深的球面成像图像输出方式,可以确保图像输出的质量维持在球面这一高质量输出模式下,图像畸变少,成像清晰度提高。The present invention utilizes the first
考虑到第一双折射晶体33的晶体光轴331虽然能够垂直于第二方向303,第二双折射晶体35的晶体光轴351虽然能够垂直于第一方向,但是由于第一双折射晶体33的晶体光轴331并不平行于第一方向302,第二双折射晶体35的晶体光轴351并不平行于第二方向303,这导致利用第一双折射晶体33和第二双折射晶体35进行成像并在定点进行观察时的图像位置无法保持一致,两个景深上的图像发生了错位。Considering that although the crystal
请一并参阅图10至图11,图10为图1所示第一双折射晶体33与第三双折射晶体37的光路示意图,图11为图1所示第二双折射晶体35与第四双折射晶体38的光路示意图。Please refer to FIGS. 10 to 11 together. FIG. 10 is a schematic diagram of the optical paths of the first
在本发明的一个实施方式中,为了克服两个景深上图像的错位问题,本发明一个实施方式中的折射单元30还设置有第三双折射晶体37以及第四双折射晶体38。第三双折射晶体37位于第一双折射晶体33以及第一相位延迟器36之间,第四双折射晶体38设置于第二双折射晶体35以及投影单元34之间。In an embodiment of the present invention, in order to overcome the problem of image dislocation at two depths of field, the
为了消除图像错位,将第一双折射晶体33的晶体光轴331与第三双折射晶体37的晶体光轴371设置为均垂直于第二方向303,且第一双折射晶体33的晶体光轴331与第一方向302形成θ1角度,第三双折射晶体37的晶体光轴371与第一方向302形成﹣θ1角度;In order to eliminate the image dislocation, the crystal
将第二双折射晶体35的晶体光轴351与第四双折射晶体38的晶体光轴381设置为均垂直于第一方向302,且第二双折射晶体35的晶体光轴351与第二方向303形成θ2角度,第四双折射晶体38与第二方向303形成﹣θ2角度。此时,在两个景深上的图像由于对称分布的位置关系在叠加后的图像能够保持一致,从而消除了图像错位,提高了图像的清晰度。The crystal
进一步地,将θ1设置为45°,此时第一双折射晶体33与第三双折射晶体37在折射时的图像对称度最佳,图像的错位消除效果最佳;及/或,Further, θ 1 is set to 45°, at this time, the image symmetry of the first
将θ2设置为45°,此时第二双折射晶体35与第四双折射晶体38在折射时的图像对称度最佳,图像的错位消除效果处于最佳状态。When θ 2 is set to 45°, the image symmetry of the second
本发明通过调整第一双折射晶体33、第二双折射晶体35、第三双折射晶体37以及第四双折射晶体38的光轴位置,使得不同双折射晶体单元上的图像对称分布,从而使得叠加后的图像能够保持一致,进而消除了图像错位,提高了图像的清晰度。In the present invention, by adjusting the optical axis positions of the first
请一并参阅图12,图12为本发明另一实施方式中增强现实显示组件100的结构示意图。Please also refer to FIG. 12 . FIG. 12 is a schematic structural diagram of an augmented
在本发明的一个实施方式中,考虑到线偏振光进行成像时的光强不足,为了弥补光强和显示亮度的损耗,在本实施方式中的增强现实显示组件100在第一光开关32的基础上额外设置了一个光开关,利用两个具有相同开关状态的光开关以及一个偏振反射器来弥补光强损耗。In an embodiment of the present invention, considering the insufficient light intensity of linearly polarized light for imaging, in order to compensate for the loss of light intensity and display brightness, the augmented
具体地,增强现实显示组件100还包括第二光开关39,第二光开关39位于投影单元34以及第四双折射晶体38之间;第二光开关39与第一光开关32的工作状态相同,也即第二光开关39与第一光开关32同时处于开启或者关闭状态,二者的工作状态受控制单元的控制作用而处于耦合相同的状态。Specifically, the augmented
就第二光开关39本身结构而言,其可以采用常规结构,其既可与第一光开关32选用相同的开关器件,也可以与第一光开关32选用不同的开关器件。本实施方式中,考虑到整个组件的互换性,第二光开关39与第一光开关32均采用液晶光阀;作为优选,第二光开关39的响应时间设置在10毫秒以下,第二光开关39的透光率设置为大于90%的范围。As far as the structure of the second
可以理解,在其他的实施方式中,第二光开关39还可以采用电光开关、热光开关、声光开关、微机械光开关以及传统机械光开关等其他类型的光开关元件,只要该类型的光开关元件能够实现偏振方向调节即可;第二光开关39的响应时间以及透光率可以根据实际的工况选择,例如第二光开关39的响应时间设置在10毫秒以上,第二光开关39的透光率设置为小于90%的范围。It can be understood that, in other embodiments, the second
增强现实显示组件100中的目镜单元20还包括第二相位延迟器22以及光耦合器23,目镜单元20中的镜片21采用偏振反射器,第二相位延迟器22位于偏振反射器以及光耦合器23之间。第二相位延迟器22的相位延迟为π/4,其用于延迟线偏振光的相位;光耦合器23用于反射线偏振光,偏振反射器用于选择性反射或者透过偏振光,其能够允许垂直于原偏振方向的偏振光透过,并反射其他偏振方向的偏振光。The
下面阐释下增强现实显示组件100具有较高亮度的显示原理:The following explains the display principle of the augmented
第一光开关32与第二光开关39的工作状态相同,当第一光开关32与第二光开关39均处于关闭状态时,第一起偏器31起偏后的线偏振光不会被第一光开关32与第二光开关39改变自身的偏振方向,再投射至偏振反射器上时被反射,从而穿过第二相位延迟器22并实现π/4的相位延迟;线偏振光在实现π/4的相位延迟后被光耦合器23反射,再次穿过第二相位延迟器22并再次实现π/4的相位延迟;线偏振光经过两次π/4的相位延迟叠加后共实现π/2的相位延迟,此时线偏振光转变为与原来振动方向垂直的线偏振光从而透过偏振反射器,并在人眼中成像;The working states of the first
当第一光开关32与第二光开关39均处于开启状态时,第一起偏器31起偏后的线偏振光经过第一光开关32与第二光开关39两次偏振转变作用后会回复到自身的偏振方向上,在投射至偏振反射器上时被反射,从而穿过第二相位延迟器22并实现π/4的相位延迟;线偏振光在实现π/4的相位延迟后被光耦合器23反射,再次穿过第二相位延迟器22并再次实现π/4的相位延迟;线偏振光经过两次π/4的相位延迟叠加后共实现π/2的相位延迟,此时线偏振光转变为与原来振动方向垂直的线偏振光从而透过偏振反射器,并在人眼中成像。When both the first
本发明提供的增强现实显示组件100利用第二相位延迟器22以及光耦合器23转变了用于成像的偏振光类型,提高的图像显示的亮度,在理论上能够提高至传统显示图像亮度的4倍水平,具有较高的应用价值和广泛的应用前景。The augmented
进一步地,考虑到第一光开关32以及第二光开关39的旋光能力有限,第一光开关32以及第二光开关39没有足够的能力将线偏振光经过两次变换后完全转换为初始状态,导致第二光开关39输出的光信号会同时存在两种不同偏振方向的线偏振光,这会导致图像显示的对比度下降;为此,本实施方式中的增强现实显示组件100在折射单元30中还设置有第二起偏器391,第二起偏器391位于第二光开关39与投影单元34之间。Further, considering that the optical rotation capabilities of the first
第二起偏器391起到再次起偏的作用,从而将第二光开关39为能够完全转化的多余偏振方向的线偏振光滤除,仅留下与初始偏振方向相同的线偏振光,从而保证图像显示的对比度。The
进一步地,第一起偏器31采用偏振片;及/或,Further, the
第二起偏器391也采用偏振片。The
由于偏振片的偏振能力稳定,有利于整个组件起偏功能的实现,在性价比上也有较大的优势。Since the polarizing ability of the polarizer is stable, it is conducive to the realization of the polarizing function of the entire component, and it also has a great advantage in cost performance.
可以理解,在其他的实施方式中,第二相位延迟器22的相位延迟还可以采用除π/4的其他角度,只要第二相位延迟器22正面和反面所累积的相位延迟总和为π/2即可。It can be understood that in other implementation manners, the phase delay of the
本发明还提供一种增强现实显示设备(图未示),该增强现实显示设备包括可穿戴的设备本体(图未示)以及设置于该设备本体上的增强现实显示组件100。本发明提供的增强现实显示设备通过使用增强现实显示组件100,使得自身在实现多景深时图像显示时的成像方式一致,能够保持在高质量的球面镜成像方式下The present invention further provides an augmented reality display device (not shown), the augmented reality display device comprising a wearable device body (not shown) and an augmented
本发明通过调整第一双折射晶体33、第二双折射晶体35、第三双折射晶体37以及第四双折射晶体38的光轴位置,使得不同双折射晶体单元上的图像对称分布,从而使得叠加后的图像能够保持一致,进而消除了图像错位,提高了图像的清晰度,具有广泛的应用前景和极高的经济价值。In the present invention, by adjusting the optical axis positions of the first
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。The technical features of the above-described embodiments can be combined arbitrarily. For the sake of brevity, all possible combinations of the technical features in the above-described embodiments are not described. However, as long as there is no contradiction between the combinations of these technical features, All should be regarded as the scope described in this specification.
本技术领域的普通技术人员应当认识到,以上的实施方式仅是用来说明本发明,而并非用作为对本发明的限定,只要在本发明的实质精神范围内,对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。Those skilled in the art should realize that the above embodiments are only used to illustrate the present invention, not to limit the present invention, as long as the above embodiments can be appropriately changed within the spirit and scope of the present invention and variations all fall within the scope of the claimed invention.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910471929.5A CN112014971B (en) | 2019-05-31 | 2019-05-31 | Augmented reality display component and augmented reality display device having the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910471929.5A CN112014971B (en) | 2019-05-31 | 2019-05-31 | Augmented reality display component and augmented reality display device having the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112014971A true CN112014971A (en) | 2020-12-01 |
| CN112014971B CN112014971B (en) | 2025-05-16 |
Family
ID=73506927
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910471929.5A Active CN112014971B (en) | 2019-05-31 | 2019-05-31 | Augmented reality display component and augmented reality display device having the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112014971B (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112596245A (en) * | 2020-12-28 | 2021-04-02 | 歌尔股份有限公司 | Optical assembly and AR equipment |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1847927A (en) * | 2005-04-04 | 2006-10-18 | 三星电子株式会社 | Stereoscopic display switching between 2D/3D images using polarization grating screen |
| CN1893674A (en) * | 2005-07-07 | 2007-01-10 | 三星电子株式会社 | 2D/3D switchable stereoscopic display providing image with complete parallax |
| CN101025476A (en) * | 2006-02-22 | 2007-08-29 | 三星电子株式会社 | High resolution autostereoscopic display |
| CN102087421A (en) * | 2010-12-03 | 2011-06-08 | 武汉光迅科技股份有限公司 | Crystal-type optical mixer for coherent optical communication |
| CN209979941U (en) * | 2019-05-31 | 2020-01-21 | 杭州光粒科技有限公司 | Augmented reality display assembly and augmented reality display device with same |
-
2019
- 2019-05-31 CN CN201910471929.5A patent/CN112014971B/en active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1847927A (en) * | 2005-04-04 | 2006-10-18 | 三星电子株式会社 | Stereoscopic display switching between 2D/3D images using polarization grating screen |
| CN1893674A (en) * | 2005-07-07 | 2007-01-10 | 三星电子株式会社 | 2D/3D switchable stereoscopic display providing image with complete parallax |
| US20070008619A1 (en) * | 2005-07-07 | 2007-01-11 | Samsung Electronics Co., Ltd. | 2D/3D switchable stereoscopic display providing image with complete parallax |
| CN101025476A (en) * | 2006-02-22 | 2007-08-29 | 三星电子株式会社 | High resolution autostereoscopic display |
| CN102087421A (en) * | 2010-12-03 | 2011-06-08 | 武汉光迅科技股份有限公司 | Crystal-type optical mixer for coherent optical communication |
| CN209979941U (en) * | 2019-05-31 | 2020-01-21 | 杭州光粒科技有限公司 | Augmented reality display assembly and augmented reality display device with same |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112596245A (en) * | 2020-12-28 | 2021-04-02 | 歌尔股份有限公司 | Optical assembly and AR equipment |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112014971B (en) | 2025-05-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN209728338U (en) | Augmented reality display component and augmented reality display device having the same | |
| CN104656258B (en) | The nearly optics of the eye display device of the adjustable curved surface waveguide of diopter | |
| CN113448089B (en) | Augmented reality device and display method thereof | |
| US5801885A (en) | Head mount type image display unit | |
| WO2021017938A1 (en) | Display system, vr module and wearable device | |
| JP3487859B2 (en) | Head mounted display device and display optical system used in the device | |
| US20230168501A1 (en) | Optical system and virtual reality device | |
| CN116165804A (en) | An optical display device and an AR display device | |
| CN105652444B (en) | display device | |
| CN216351550U (en) | Optical system and virtual reality equipment | |
| CN114911063B (en) | Focal plane imaging system applied to virtual reality display | |
| CN116027551A (en) | Short-focus folding optical system and virtual reality display device | |
| WO2020034837A1 (en) | Augmented reality glasses | |
| CN118707722A (en) | Optical system and head mounted display device | |
| TWI798853B (en) | Augmented reality display device | |
| US6008947A (en) | Optical system comprising a prism having a combined transmission and reflection action, and device therefor | |
| CN109061884A (en) | The nearly eye display optical system of the adjustable Clairvoyant type of depth of focus | |
| WO2022206638A1 (en) | Augmented reality device and display method thereof | |
| CN112014970B (en) | Augmented reality display assembly and augmented reality display device having the same | |
| CN115963630A (en) | Optical system and virtual reality equipment | |
| TWI769783B (en) | Optical module and near-eye display device thereof | |
| CN112014971A (en) | Augmented reality display assembly and augmented reality display device with same | |
| CN209979941U (en) | Augmented reality display assembly and augmented reality display device with same | |
| CN208314343U (en) | A kind of optical presentation system | |
| CN210270371U (en) | Augmented reality display assembly and augmented reality display device with same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |




