CN115576111B - 一种ar显示设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及显示技术领域，公开了一种AR显示设备，包括：LBS结构，以及位于光束组合器上的HOE结构；LBS结构包括一个或多个LBS；HOE结构包括一个或多个HOE；HOE的总个数不小于LBS的总个数；LBS结构，用于将不同角度范围的激光光束分别投影至各HOE上；HOE结构，用于对不同角度范围的激光光束分别进行衍射，并将衍射后的光束以设定角度经过人眼瞳孔在视网膜上投影。上述AR显示设备采用HOE结构进行扩瞳，使LBS结构发射的不同角度范围的光线直接投影至位于光束组合器上的HOE结构，无需使用扩散屏，避免了因使用扩散屏扩瞳造成的散斑现象，同时满足eye box尺寸的需求，整机的体积非常紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及显示技术领域，特别是涉及一种AR显示设备。
背景技术
增强现实（Augmented Reality，AR）技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术。AR HUD（Head Up Display，平视显示系统）可将行车信息投影到驾驶员前面的前挡玻璃上，让驾驶员尽量做到不低头、不转头就能看到时速、导航等重要的驾驶信息。佩戴AR眼镜时可享受3D观影体验。现有的以激光束扫描（laser beam scanning，LBS）为光源的HUD或AR眼镜一般是将激光束扫描的光点打在一块扩散屏上，令原来准直的光束发生一定角度范围的散射，实现扩瞳的功能；然后，再以此扩散屏上的图像作为图像源，通过后续的光学系统成一定距离和大小的虚像。
但是，由于激光的相干性，当它通过表面粗糙的器件时，容易发生干涉，产生明暗间隔的图像，称之为激光散斑。这里扩散屏就是一个通过表面粗糙的微结构来实现散射的器件，会造成显示图案的明暗变化，降低图像的显示质量。然而上述应用中，如果不使用扩散屏，则eye box（眼盒）会变得非常小，仅为LBS准直激光光束的直径。而且在使用扩散屏的结构中，还包含了图像生成单元、自由曲面反射镜等器件，随着视场角的增加，整个光机体积也会相应增加，限制车载上或眼镜上的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种AR显示设备，可以避免因使用扩散屏扩瞳造成的散斑现象，同时满足eye box尺寸的需求，且体积紧凑。其具体方案如下：
一种AR显示设备，包括：LBS结构，以及位于光束组合器上的HOE结构；所述LBS结构包括一个或多个LBS；所述HOE结构包括一个或多个HOE；所述HOE的总个数不小于所述LBS的总个数；
所述LBS结构，用于将不同角度范围的激光光束分别投影至各所述HOE上；
所述HOE结构，用于对所述不同角度范围的激光光束分别进行衍射，并将衍射后的光束以设定角度经过人眼瞳孔，在视网膜上投影。
优选地，在本发明实施例提供的上述AR显示设备中，所述HOE结构贴附在基底上；
所述基底为所述光束组合器或贴附在所述光束组合器上的薄膜。
优选地，在本发明实施例提供的上述AR显示设备中，所述HOE结构由多层不同的HOE膜层组成；
每层所述HOE膜层包括一个或多个所述HOE；
任意两层所述HOE膜层中的所述HOE在所述基底上的投影具有重叠区域。
优选地，在本发明实施例提供的上述AR显示设备中，所述LBS与所述HOE膜层一一对应；
同一所述LBS发出的激光光束投影至对应的所述HOE膜层中的所述HOE上；同一所述LBS对应的所述HOE之间没有重叠。
优选地，在本发明实施例提供的上述AR显示设备中，所有所述HOE膜层位于在所述基底的同一面上；或，
部分所述HOE膜层位于在所述基底的一面，另一部分所述HOE膜层位于所述基底的另一面上。
优选地，在本发明实施例提供的上述AR显示设备中，当所述HOE膜层具有两层且每层所述HOE膜层包括两个相接的所述HOE时，
两层所述HOE膜层均位于所述基底的同一面上，且两层所述HOE膜层中的所述HOE具有重叠区域；或，
两层所述HOE膜层分别位于所述基底的不同面上，且两层所述HOE膜层中的所述HOE在所述基底上的投影具有重叠区域。
优选地，在本发明实施例提供的上述AR显示设备中，所述HOE结构中的所有所述HOE位于同一层，且在同一层中形成多个光栅复用。
优选地，在本发明实施例提供的上述AR显示设备中，单个所述LBS发出多束不同角度范围的激光光束。
优选地，在本发明实施例提供的上述AR显示设备中，单个所述LBS包括激光源、准直透镜、多个具有不同设定反射率的分光部件、以及与所述分光部件一一对应的聚焦透镜。
优选地，在本发明实施例提供的上述AR显示设备中，所述HOE为平面状或曲面状。
从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种AR显示设备，包括：LBS结构，以及位于光束组合器上的HOE结构；LBS结构包括一个或多个LBS；HOE结构包括一个或多个HOE；HOE的总个数不小于LBS的总个数；LBS结构，用于将不同角度范围的激光光束分别投影至各HOE上；HOE结构，用于对不同角度范围的激光光束分别进行衍射，并将衍射后的光束以设定角度经过人眼瞳孔，在视网膜上投影。
本发明提供的上述AR显示设备，采用HOE结构来进行扩瞳，使LBS结构发射的不同角度范围的光线直接投影至位于光束组合器上的HOE结构，无需使用扩散屏，避免了因使用扩散屏扩瞳造成的散斑现象，同时满足eye box尺寸的需求，并且由于省去了其他光学器件，使得整机的体积非常紧凑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的AR显示设备的结构示意图之一；
图2为本发明实施例提供的AR显示设备的结构示意图之二；
图3为本发明实施例提供的AR显示设备的结构示意图之三；
图4为本发明实施例提供的多个HOE分布示意图之一；
图5为本发明实施例提供的多个HOE分布示意图之二；
图6为本发明实施例提供的单个LBS发出多束不同角度范围的激光光束的原理示意图。
具体实施方式
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。
本发明提供一种AR显示设备，如图1至图3所示，包括：LBS结构，以及位于光束组合器上的HOE（Holographic Optical Elements，全息光学元件）结构；LBS结构包括一个或多个LBS；HOE结构包括一个或多个HOE；HOE的总个数不小于LBS的总个数；
LBS结构，用于将不同角度范围的激光光束分别投影至各HOE上；
HOE结构，用于对不同角度范围的激光光束分别进行衍射，并将衍射后的光束以设定角度经过人眼瞳孔，在视网膜上投影。
图1至图3中示出了HOE结构包括HOE 1、HOE 2、HOE 3、HOE 4；LBS结构包括LBS 10、LBS 20。关于HOE和LBS的总个数可以根据实际情况而调整，需要满足令m个LBS的光束直接投影到k个HOE上（k≥m）。
在本发明实施例提供的上述AR显示设备中，采用HOE结构来进行扩瞳，使LBS结构发射的不同角度范围的光线直接投影至位于光束组合器上的HOE结构，无需使用扩散屏，避免了因使用扩散屏扩瞳造成的散斑现象，同时满足eye box尺寸的需求，并且由于省去了其他光学器件，使得整机的体积非常紧凑。
需要说明的是，本发明的成像光路和原理是不同角度范围的激光束经HOE结构反射后，以特定角度经过人眼瞳孔，在视网膜上投影，不同角度的激光束对应虚像面上的不同点，本发明的图像源是准直度很高的激光光束，通过振镜进行扫描。本发明的AR显示设备可以为HUD显示设备或AR眼镜等，在此不做限定。图1和图2对应的是HUD显示设备。图3对应的是AR眼镜。在图1和图2中光束组合器可以为前挡玻璃。在图3中光束组合器可以为AR眼镜的衬底。
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述AR显示设备中，HOE结构可以贴附在基底上；该基底可以为贴附在光束组合器上的薄膜，为了节省空间，该基底也可以直接为光束组合器。也就是说，可以将HOE结构贴附在薄膜上，然后将该薄膜贴附在光束组合器上合适的位置，也可以将光束组合器直接作为HOE结构的基底。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述AR显示设备中，关于HOE结构的组成可以有以下两种实施方式：
第一种实施方式为HOE结构中的所有HOE位于同一层；当HOE结构中的所有HOE位于同一层时，所有HOE在同一层中形成多个光栅复用。
第二种实施方式为HOE结构由多层不同的HOE膜层组成。当HOE结构由多层不同的HOE膜层组成时，每层HOE膜层包括一个或多个HOE；任意两层HOE膜层中的HOE在基底上的投影具有重叠区域。这样使得HOE在空间上有一定的重叠，可以保证扩瞳后视点之间的距离能满足观看需求。
在上述第二种实施方式中，在具体实施时，LBS与HOE膜层可以是一一对应的关系；即一个LBS对应一层HOE膜层。同一LBS发出的激光光束投影至对应的HOE膜层中的HOE上，此时同一LBS对应的HOE之间没有重叠。而对于不同LBS发出的激光光束，对应的HOE膜层中的HOE在空间上存在一定的重叠，以保证视点的密度。
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述AR显示设备中，所有HOE膜层可以位于在基底的同一面上；或，部分HOE膜层可以位于在基底的一面，另一部分HOE膜层可以位于基底的另一面上。
具体地，当HOE膜层具有两层且每层HOE膜层包括两个相接的HOE时，两层HOE膜层均位于基底的同一面上，且两层HOE膜层中的HOE具有重叠区域；或，两层HOE膜层分别位于基底的不同面上，且两层HOE膜层中的HOE在基底上的投影具有重叠区域。
如图4所示，基底的一面依次层叠设置有第一层HOE膜层和第二层HOE膜层；第一层HOE膜层包括相接的HOE 3和HOE 4，第二层HOE膜层包括相接的HOE 1和HOE 2，其中HOE 3与HOE 2部分接触，具有重叠区域。
如图5所示，基底的一面设置有第一层HOE膜层，另一面设置有第二层HOE膜层；第一层HOE膜层包括相接的HOE 3和HOE 4，第二层HOE膜层包括相接的HOE 1和HOE 2，其中HOE3与HOE 2在基底上的投影具有重叠区域。
如图2所示，基底的一面设置有第一层HOE膜层，另一面设置有第二层HOE膜层；第一层HOE膜层包括相接的HOE 3和HOE 4，第二层HOE膜层包括相接的HOE 1和HOE 2，其中，HOE 3分别与HOE 1和HOE 2在基底上的投影具有重叠区域，HOE 4与HOE 2在基底上的投影具有重叠区域。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述AR显示设备中，HOE可以为平面状，也可以为曲面状。HOE的材料可以是DCG、银盐、聚合物或其他已知的可用于体全息光栅的材料。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述AR显示设备中，单个LBS发出多束不同角度范围的激光光束。如图6所示，单个LBS可以包括激光源、准直透镜、多个具有不同设定反射率的分光部件、以及与分光部件一一对应的聚焦透镜。较佳地，分光部件可以为反射镜、半透半反镜或棱镜或其他光学元件。
需要说明的是，每个分光部件的反射率计算公式可以为：Ri=1/(J-i+1)，其中J为所有分光部件的数量，i为分束的次数，按照图6所示，最左边的分光部件01的分束次数i=1，中间的分光部件02的分束次数i=2。
在实际应用中，LBS可以是出瞳直径比较小（e.g. ~1mm）的DMD/LCoS/μLED等光机。在本发明的AR显示设备中，可以设置多个光机在特定的位置得到不同角度范围的激光光束，也可以由同一个LBS进行分束得到不同角度范围的激光光束，也可以是两者的组合。
如图6所示，对光机进行分束时，需要将其进行准直，再通过特定反射率的分光部件进行分光，对每一束分光之后得到的光束再加聚焦透镜进行聚焦，获取和原始光机相同的扩散角，或者根据实际的HOE进行调整。每个分光部件的位置和角度可以微调，配合相应的HOE已达到所需的显示效果。
假设需要LBS结构发出三束不同角度范围的激光光束，LBS结构也可以直接设置有三个LBS，每个LBS发出一束相应的激光光束来达到LBS结构发出三束激光光束的目的。而当LBS结构只有一个LBS时，此时该LBS的分光部件和聚焦透镜可以分别设置三个，三个分光部件的反射率不同，这样该LBS可发出三束不同角度范围的激光光束，每束激光光束可投影至不同的HOE上，进一步细分成子光束，对应不同的视点。另外，LBS也可以设置两个LBS，一个LBS发出一束激光光束，另一个LBS发出两束不同角度范围的激光光束。相邻两个视点，可以是不同LBS发出的光束扫描得到。
另外，需要说明的是，本发明实施例提供的上述AR显示设备中，单个LBS出来的光束可以分为1~n束，LBS的数量可以是1~m个，HOE的数量可以为k=m×n。观察点的数量和密度可以根据实际情况（如FOV、分辨率要求等）调整，以满足eye box的需求。
下面以图1为例， HOE结构包括HOE 1、HOE 2、HOE 3、HOE 4；LBS结构包括LBS 10、LBS 20，n=2，m=2，k=4的情况下，对本发明实施例提供的上述AR显示设备的成像过程进行详细说明，具体步骤如下：
从LBS 10出来的角度范围为θ1的光束，经HOE 1衍射后，形成±α的光束，且中心线保持水平（或者其他特定角度）。调节θ1角度范围内扫描时的图像显示，使得在p1观察点处看到特定的垂直张角为±α图像；
同理，LBS10出来的角度范围为θ2的光束，经HOE 2衍射后，形成±α的光束，调节θ2角度范围内扫描时的图像显示，使得p2点观察到的内容与p1点观察到的内容完全一致；
LBS 20出来的角度范围为θ3和θ4的光束，通过设置LBS 20的位置和倾角，使得θ3和θ4的光束或者没有入射到HOE 1和HOE 2上，或者在HOE 1和HOE 2上的入射角远偏离Bragg角度，超出光栅的接收角，在HOE 1和HOE 2上不发生衍射，直接透射并入射到HOE 3和HOE 4上。经过HOE 3和HOE 4衍射之后，分别形成±α的光束，调节θ3和θ4角度范围内扫描时的图像显示，在p3和p4形成和p1和p2完全一致的画面，从而实现扩瞳。
从图1中可知，针对同一LBS出来的光束投影至的HOE，互相之间没有重叠。针对不同LBS出来的光束投影至的HOE，互相之间有一定重叠，以保证一定的视点密度，使得人眼在eye box区域中移动时，不会出现图像的变化。一般各视点之间的间距为2~4mm。
需要指出的是，本发明的AR显示设备能够放置在中控台后面，也能够放置在车内的其他位置，给车机设计带来更多便利。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
综上，本发明实施例提供的一种AR显示设备包括：LBS结构，以及位于光束组合器上的HOE结构；LBS结构包括一个或多个LBS；HOE结构包括一个或多个HOE；HOE的总个数不小于LBS的总个数；LBS结构，用于将不同角度范围的激光光束分别投影至各HOE上；HOE结构，用于对不同角度范围的激光光束分别进行衍射，并将衍射后的光束以设定角度经过人眼瞳孔，在视网膜上投影。上述AR显示设备采用HOE结构来进行扩瞳，使LBS结构发射的不同角度范围的光线直接投影至位于光束组合器上的HOE结构，无需使用扩散屏，避免了因使用扩散屏扩瞳造成的散斑现象，同时满足eye box尺寸的需求，并且由于省去了其他光学器件，使得整机的体积非常紧凑。
最后，还需要说明的是，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、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、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。
以上对本发明所提供的AR显示设备进行了详细介绍，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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种AR显示设备，其特征在于，包括：LBS结构，以及位于光束组合器上的HOE结构；所述LBS结构包括一个或多个LBS；所述HOE结构包括一个或多个HOE；所述HOE的总个数不小于所述LBS的总个数；
所述LBS结构，用于在发射不同角度范围的激光光束后，将不同角度范围的激光光束分别投影至各所述HOE上；
所述HOE结构，用于经各所述HOE对所述不同角度范围的激光光束分别进行衍射，并将衍射后的光束以设定角度经过人眼瞳孔，在视网膜上投影。
2.根据权利要求1所述的AR显示设备，其特征在于，所述HOE结构贴附在基底上；
所述基底为所述光束组合器或贴附在所述光束组合器上的薄膜。
3.根据权利要求2所述的AR显示设备，其特征在于，所述HOE结构由多层不同的HOE膜层组成；
每层所述HOE膜层包括一个或多个所述HOE；
任意两层所述HOE膜层中的所述HOE在所述基底上的投影具有重叠区域。
4.根据权利要求3所述的AR显示设备，其特征在于，所述LBS与所述HOE膜层一一对应；
同一所述LBS发出的激光光束投影至对应的所述HOE膜层中的所述HOE上；同一所述LBS对应的所述HOE之间没有重叠。
5.根据权利要求4所述的AR显示设备，其特征在于，所有所述HOE膜层位于在所述基底的同一面上；或，
部分所述HOE膜层位于在所述基底的一面，另一部分所述HOE膜层位于所述基底的另一面上。
6.根据权利要求5所述的AR显示设备，其特征在于，当所述HOE膜层具有两层且每层所述HOE膜层包括两个相接的所述HOE时，
两层所述HOE膜层均位于所述基底的同一面上，且两层所述HOE膜层中的所述HOE具有重叠区域；或，
两层所述HOE膜层分别位于所述基底的不同面上，且两层所述HOE膜层中的所述HOE在所述基底上的投影具有重叠区域。
7.根据权利要求2所述的AR显示设备，其特征在于，所述HOE结构中的所有所述HOE位于同一层，且在同一层中形成多个光栅复用。
8.根据权利要求1所述的AR显示设备，其特征在于，单个所述LBS发出多束不同角度范围的激光光束。
9.根据权利要求8所述的AR显示设备，其特征在于，单个所述LBS包括激光源、准直透镜、多个具有不同设定反射率的分光部件、以及与所述分光部件一一对应的聚焦透镜。
10.根据权利要求1所述的AR显示设备，其特征在于，所述HOE为平面状或曲面状。
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| CN115576111A (zh) | 2023-01-06 |
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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 | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: An AR display device Effective date of registration: 20231205 Granted publication date: 20230407 Pledgee: Zhejiang Mintai Commercial Bank Co.,Ltd. Hangzhou Yuhang Branch Pledgor: HANGZHOU GUANGLI TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023980069412 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Granted publication date: 20230407 Pledgee: Zhejiang Mintai Commercial Bank Co.,Ltd. Hangzhou Yuhang Branch Pledgor: HANGZHOU GUANGLI TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023980069412 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: An AR display device Granted publication date: 20230407 Pledgee: Zhejiang Mintai Commercial Bank Co.,Ltd. Hangzhou Yuhang Branch Pledgor: HANGZHOU GUANGLI TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2024980052242 |