一種偏振反射片、增強現實近眼顯示系統及頭戴顯示設備的制作方法

本發明屬于近眼顯示系統領域，更具體為應用虛擬跟現實結合領域，涉及應用于虛擬跟現實結合顯示系統中的偏振反射片、近眼顯示系統以及采用虛擬跟現實結合近眼顯示系統制備的頭戴顯示設備。

背景技術：

在近眼顯示設備中，近眼顯示光學系統是核心組成部分。近眼顯示裝置通過特殊的光學裝置可以將圖像清晰地投射在人的視網膜上，在用戶眼前呈現出虛擬大幅面圖像，由此應用于虛擬現實或增強現實。增強現實即是在看到虛擬圖像的同時也會看到現實場景。如今市場上已經有一些AR眼鏡產品，如微軟的產品、以色列的Lumus等，但其制造成本極高。

由于各種因素的相互制約，目前的系統仍無法滿足對于視場大(30度左右或以上)、像質好、體積小、重量輕、成本低這幾項因素的理想結合，某些需要環境透視(see-through)的系統(如增強現實AR)更是進一步提高了系統設計的難度。現有的系統可以做到質量較輕，但制造成本高昂，因此導致市場售價也比較貴，普通人根本無法接受此價格。市面上的AR眼鏡基本的原理是：自由曲面棱鏡投影、全息波導片、半透膜迭代波導片等制成，這些鏡片的制造都是極其復雜，要求工藝極高；而且視場都不能做大，一般都小于30°。

技術實現要素：

基于上述現有技術存在的一些缺陷，本發明第一個發明目的在于提供一種應用于增強現實視覺系統中的偏振反射片；由于該偏振反射片是關鍵技術，它能夠對顯示屏發出的光進行選擇性的透射反射，同時也可對自然光的高效透過率；本發明的第二個發明目的就應用了和第一個發明目的中相關的偏振反射片，因此本發明的二個發明目在于提供一種增強現實近眼顯示系統，它具有低成本、大視場、高像質、高透過率的優點；本發明的第三個發明目的在于提供一種頭戴顯示設備，它應用了增強現實近眼顯示系統，同樣具有低成本、大視場、高像質的優點。

上述偏振反射片、增強現實近眼顯示系統和頭戴顯示設備技術上相互關聯，屬于同一個發明構思。

為了實現上述第一個發明目的，本發明采用如下技術方案：

1、一種應用于增強現實視覺系統中的偏振反射片，其特征在于：

所述偏振反射片是正反面只透過偏振方向跟自身方向相同的光，反射跟自身偏振方向垂直的光的偏振反射片；或者是，一面反射且另一面透射的偏振反射片，且偏振反射片一面反射跟自身偏振方向垂直的光，另一面透射任何方向的光；

所述偏振反射片一面應用于增強現實視覺系統的近眼面，另一面應用于增強現實視覺系統的背眼面。

2、根據上述方案1所述的一種應用于增強現實視覺系統中的偏振反射片，其特征在于：所述偏振反射片具有如下要求：光從背眼面入射時透過率滿足要求：T≥60％；從近眼面入射時反射率滿足：F≥60％。

3、根據上述方案1或2所述的一種應用于增強現實視覺系統中的偏振反射片，其特征在于：偏振反射片由偏振反射膜、增透膜和平面基板組成，偏振反射膜和增透膜粘貼在所述平面基板上，增透膜粘貼在平面基板的一面，偏振反射膜粘貼在平面基板的另一面。

為了實現上述第二個發明目的，本發明采用如下技術方案：

4、一種增強現實近眼顯示系統，其特征在于，包括：

-用于構建虛像的顯示屏；

-近眼面反射、背眼面透射的偏振反射片；以及

-凹面反射鏡；

其中：

顯示屏是發出偏振光的顯示屏；

位于眼視覺正前方的遠近方向定義為軸向方向，位于近眼區域圍繞軸向方向定義為周向方向上；

顯示屏的顯示面對應偏振反射片的背眼面，凹面反射鏡反射面對應偏振反射片的近眼面；凹面反射鏡反射面與所述顯示屏顯示面對應，顯示屏位于近眼區域的周向方向上，且偏振反射片斜向設置于顯示屏和凹面反射鏡之間，使得：

偏振反射片軸向遠側區域是實景環境，偏振反射片近側區域是近眼區域；且偏振反射片位于凹面反射鏡與顯示屏之間。

5、根據上述方案4所述的一種增強現實近眼顯示系統，其特征在于：增強現實近眼顯示系統是雙目近眼顯示系統，所述顯示屏、偏振反射片的數量有兩塊，所述凹面反射鏡是雙凹面反射鏡；兩塊偏振反射片分別斜向對應設置在雙目之前側；兩塊偏振反射片的遠端均靠近雙目中間，兩塊偏振反射片的近端分別靠近雙目左右兩外側；雙凹面反射鏡豎立于雙目中間，兩塊顯示屏分別位于雙目的左右兩外側。

6、根據上述方案4所述的一種增強現實近眼顯示系統，其特征在于：所述顯示屏、偏振反射片的數量至少為一塊，顯示屏位于眼上方且顯示方向朝下；對應地，凹面反射鏡位于眼下方且反射面朝上。

7、根據上述方案4所述的一種增強現實近眼顯示系統，其特征在于：所述偏振反射片是背眼面透射、近眼面反射偏振態偏振光的偏振反射片；所述顯示屏顯示的光屬于所述偏振態范圍內的偏振光。

8、根據上述方案4所述的一種增強現實近眼顯示系統，其特征在于：所述偏振反射片具有如下要求：光從背眼面入射時透過率滿足要求：T≥60％；從近眼面入射時反射率滿足：F≥60％。

9、根據上述方案4所述的一種增強現實近眼顯示系統，其特征在于：所述偏振反射片通過只選擇透過跟自身偏振方向相同的光、反射跟自身偏振方向垂直的光的偏振反射膜制成；

增強現實近眼顯示系統還包括：

-用于改變光的偏振方向的波片或者相位延遲器；

所述波片或者相位延遲器加至在所述凹面反射鏡反射面之前；

以使改變光的偏振方向后的偏振光與偏振反射片自身偏振方向垂直，并在偏振反射片中被反射入眼。

10、根據上述方案9所述的一種增強現實近眼顯示系統，其特征在于：所述波片或相位延遲器的選擇需滿足相位延遲：π/8～3π/8。

11、根據上述方案10所述的一種增強現實近眼顯示系統，其特征在于：所述波片或相位延遲器的相位延遲為：π/4。

12、根據上述方案10所述的一種增強現實近眼顯示系統，其特征在于：凹面反射鏡的反射半徑在R在50-200mm之間。

13、根據上述方案12所述的一種增強現實近眼顯示系統，其特征在于：凹面反射鏡的反射半徑在R是90mm-150mm。

14、根據上述方案9所述的一種增強現實近眼顯示系統，其特征在于：所述偏振反射片包括：

-平面基板；

-只選擇透過跟自身偏振方向相同的光、反射跟自身偏振方向垂直的光的偏振反射膜；所述偏振反射片通過所述偏振反射膜貼在平面基板的近眼面制成。

15、根據上述方案14所述的一種增強現實近眼顯示系統，其特征在于：所述偏振反射片還包括增透膜，增透膜貼在背眼面。

16、根據上述方案14或15所述的一種增強現實近眼顯示系統，其特征在于：所述平面基板的的要求包括：

透過率：T≥60％；

面型精度PV值：＞40um；

折射率：Nd＝1.4～1.7；

厚度：t＝0.5mm～3mm。

為了實現上述第三個發明目的，本發明采用如下技術方案：

17、一種包含上述方案4所述增強現實近眼顯示系統的頭戴顯示設備，其特征在于：一種包含上述增強現實近眼顯示系統的頭戴顯示設備，頭戴顯示設備包括頭戴支架，頭戴支架對應于人眼位置設有目鏡安裝通孔；偏振反射片安裝于目鏡安裝通孔內，顯示屏裝于頭戴支架周向外圍位置，凹面反射鏡對應所述顯示屏，并安裝于頭戴支架上。

18、根據上述方案17所述的頭戴顯示設備，其特征在于：頭戴顯示設備是雙目頭戴顯示設備，頭戴支架對應于人雙眼位置設有一對目鏡安裝通孔；顯示屏、偏振反射片的數量有兩塊，凹面反射鏡是雙凹面反射鏡；兩塊偏振反射片分別斜向對應設置在兩個目鏡安裝通孔上；兩塊偏振反射片的遠端均靠近一對目鏡安裝通孔之間的中間位置，兩塊偏振反射片的近端分別靠近目鏡安裝通孔的左右兩外側；雙凹面反射鏡豎立于一對目鏡安裝通孔之間的中間位置，兩塊顯示屏分別位于一對目鏡安裝通孔的左右兩外側。

19、根據上述方案17所述的頭戴顯示設備，其特征在于：頭戴顯示設備是雙目頭戴顯示設備，所述顯示屏、偏振反射片的數量為一塊，顯示屏位于眼上方且顯示方向朝下；對應地，凹面反射鏡位于眼下方且反射面朝上。

本發明的有益效果如下：

本發明提供的的偏振反射片、增強現實近眼顯示系統以及頭戴顯示設備，最終使得AR眼鏡等產品價格低廉、可被普通人接受的一種產品，實現人人可以體驗AR產品，同時具有超高的成像質量。具體地：

(一)針對本發明的偏振反射片，它不同于普通的偏振片；普通的偏振片對不同于本身偏振狀態的光進行吸收，而本發明中的偏振片具有將不同于本身偏振狀態的偏振光反射出去，因此更確切的說叫偏振反射片；當光從反面入射時，透過率較高，不表現出偏振反射特點；當垂直于此偏振片偏振態的偏振光從正面入射時，此偏振片會將此光反射出去，利用這個特點制作了此偏振片。只需要它自身的反射偏振方向和顯示屏發出的偏振光方向垂直，就可以完美地應用在增強現實近眼顯示系統、頭戴顯示設備以及具體地AR眼鏡中，成本非常低，而且效果非常好。

(二)針對本發明的增強現實近眼顯示系統以及頭戴顯示設備，具有如下優點：

1)本發明增強現實近眼顯示系統以及頭戴顯示設備，通過光學鏡片將屏幕像成像在明視距離之外，達到很好的視覺效果，而不是簡單的平面鏡反射；而且光學鏡片使用結構簡單的偏振反射片，不僅達到很優秀的成像效果，同時還降低了成本。

2)本發明增強現實近眼顯示系統以及頭戴顯示設備，通過一種簡單的穿透式光路結構形式、達到超高質量的成像效果，不會帶來額外的離周像差等；同時由于其光路結構簡單，因此具有超低成本的優勢、極高的量產性，可以滿足大眾使用。

3)本發明的增強現實近眼顯示系統以及頭戴顯示設備，還充分利用屏幕光的偏振性特點，通過偏振膜系的巧妙配合，達到超高的光能量利用率；同時，基板材料選擇寬松，普通光學塑料、光學玻璃都可使用。

附圖說明

圖1：本發明實施例1的結構示意圖；

圖2：本發明實施例2的結構示意圖；

圖3：本發明實施例3的結構示意圖；

圖4：實施例1、3中偏振反射片的結構示意圖；

圖5：實施例2中偏振反射片的結構示意圖；

圖6：實施例4中頭戴顯示設備的結構示意圖；

圖7：實施例5中頭戴顯示設備的結構示意圖。

具體實施方式

以上是對本發明技術方案的舉例詳細說明，不能作為本發明保護范圍的限定。

實施例1：如圖1-4所示的增強現實近眼顯示系統，具體地，它是一個雙目的增強現實近眼顯示系統，它包括兩塊能發出偏振光的顯示屏1、兩塊偏振反射片2和一塊雙凹反射鏡3a。顯示屏1用于構建虛像，兩塊偏振反射片2用于處理光透射和反射，雙凹反射鏡3a用于反射。上述偏振反射片2主要由偏振反射膜20、增透膜22、平面基板2a組成，其中平面基板2a在中間，偏振反射膜20在近眼側，增透膜22在背眼側。此結構充分考慮了雜散光的消光處理，同時機械結構上也可以做一定的消光螺紋等處理，即可達到非常完美的成像效果。

其中的偏振反射片2是正反面只透過偏振方向跟自身方向相同的光，反射跟自身偏振方向垂直的光的偏振反射片2；或者是，一面反射且另一面透射的偏振反射片2，且偏振反射片2一面反射跟自身偏振方向垂直的光，另一面透射任何方向的光。上述的偏振反射片2一面應用于增強現實視覺系統的近眼面，另一面應用于增強現實視覺系統的背眼面。

如圖1所示，我們定義位于眼視覺正前方的遠近方向定義為軸向方向A，位于近眼區域圍繞軸向方向定義為周向方向B上。如圖1所示，該定義主要針對單眼定義。

對于雙目的增強現實近眼顯示系統而言，兩塊偏振反射片2分別斜向對應設置在雙目之前側。因為對稱，依每只眼看，偏振反射片2雖然傾斜設置，但是軸向方向A大致穿于偏振反射片2中心。而雙凹反射鏡3a位于豎立于雙目中間，兩塊顯示屏1分別位于雙目的左右兩外側。顯示屏1的顯示面對應偏振反射片2的背眼面，雙凹面反射鏡3a反射面對應偏振反射片2的近眼面；既兩塊偏振反射片2的遠端均靠近雙目中間，兩塊偏振反射片2的近端分別靠近雙目左右兩外側。

偏振反射片2軸向遠側區域是實景5環境，偏振反射片2近側區域是近眼區域。當然此時且偏振反射片2必然位于凹面反射鏡3與顯示屏1之間。

上述周向方向B是圍繞軸向方向的，簡單地說是近眼外周圍的前、后、左、右區域。如本實施例的顯示屏1就在雙目左右兩外側。軸向方向A的定義是針對單眼而言，因此雙凹面反射鏡3a的相當于位于左眼的右側部，既兩眼的中間。

上述雙目中的“目”和“眼”含義相同。

具體光路傳播形式：

虛擬光部分：顯示屏1屏幕發出的光穿過偏振反射片2后達到雙凹面反射鏡3a一面，雙凹面反射鏡3a將光線反射回來經過偏振反射片2，由于此光的偏振性跟偏振反射片2的偏振性垂直，反射后基本上所有的光都會進入人眼4，極大的提高了屏幕光的利用率；

其中雙凹面反射鏡3a的作用為增加虛像距離，使虛像在人眼明視距離之外＞25.4cm，這樣人眼看著較舒服，否則人眼根本看不清楚屏幕上顯示的內容；其主要受表面曲率影響，經模擬顯示，當雙凹面反射鏡3a的反射面的曲率半徑R＝125mm時虛像正好在人眼明視距離處，具體半徑可根據要求進行設計。而偏振反射片2的作用為將屏幕的光線反射進入人眼。

一般而言，R在90mm-150mm之間，距離比較好。

現實光路：現實場景5的光經過偏振反射片2背眼面直接進入人眼4，極大的提高了透過率。

本發明的偏振反射片2不同于現有的普通偏振片；普通的偏振片對不同于本身偏振狀態的光進行吸收，而本發明中的偏振反射片2具有將不同于本身偏振狀態的偏振光反射出去。當光從反面入射時，透過率較高，不表現出偏振反射特點；當垂直于此偏振片偏振態的偏振光從正面入射時，此偏振片會將此光反射出去，利用這個特點制作了此偏振反射片2才是本發明所需要的。偏振反射片具有如下要求：光從背眼面入射時透過率滿足要求：T≥60％；從近眼面入射時反射率滿足：F≥60％。

如圖4所示，本發明的上述偏振反射片2主要由偏振反射膜20、增透膜22、平面基板2a組成，其最大的優點在于：在保證大視場角高清晰、高能量利用率的前提下，具有超低的成本優勢。現在市面上的AR眼鏡所采用的增強現實近眼顯示系統，主要的成本受限于鏡片的價格，無論是波導片還是自由曲面鏡片，其制作成本高昂；本發明使用的都是極其廉價的原材料：平面基板選擇較為寬松，只要透過率達到要求，表面精度達到要求即可使用；增透膜22和偏振反射膜20都選用直接貼膜的方式，將其黏貼到平面基板2a上面；而本發明的雙凹反射鏡3a則采用樹脂注塑完成但不限于樹脂，任何光學塑料或者光學玻璃都可使用，因為我們主要應用的是其表面，對于材料無要求，因此更加寬了選擇范圍。其中優選地，平面基板2a的要求需滿足如下參數：

透過率：T≥75％；

面型精度PV值：＞30um；

折射率：Nd＝1.4～1.7；

厚度：t＝0.5mm～3mm。

本實施例的偏振反射膜20是背眼面針對與自身偏振態相同的偏振光或所有光單項透射，其中近眼面反射與其自身垂直的偏振光。

實施例2：如圖3、5所示，該實施例1不同的在于：本實施例所采用的偏振反射片2采用不同的方式制作，當我們不采用其它需要修改偏振方向的偏振反射膜20制作時，由于既要求光能夠在背眼面透射，又要求在近眼面被反射，此時就要求配合配合波片21等相位延遲器使用。原因在于，此方法制作的普通的偏振反射膜只有一個偏振態，即市面上普通偏振反射膜只選擇透過跟自身偏振方向相同的光，反射跟自身偏振方向垂直的光，并沒有偏振光從正面或反面入射透過率和反射率不同的特點。用此種普通偏振反射膜時，需要根據在凹面反射鏡前加入波片或者其他相位延遲器來改變光的偏振方向，否則光會直接穿過偏振反射片射到屏幕上，而不是反射進入人眼4；而加入了波片等相位延遲器，改變了光的偏振方向，當此偏振光打到偏振反射片上后會反射進入人眼，如圖2所示，其中，波片或相位延遲器的選擇需滿足相位延遲：π/8～3π/8，最優選擇π/4。

本實施例2除了選擇了普通的且兩面都只選擇透過跟自身偏振方向相同的光，反射跟自身偏振方向垂直的光的普通偏振反射膜之外，還在雙凹面反射鏡3a上加入一用于改變或延遲光π/8～3π/8相位的波片21或者相位延遲器之外，其余重復實施例1。

實施例3：

如圖3所示，增強現實近眼顯示系統，它包括一塊發出偏振光的顯示屏、一塊偏振反射片2、兩塊凹面反射鏡3。此偏振反射片2的組成跟實施例1完全相同。

發出偏振光的顯示屏1的位置處于近眼周向的上方，顯示屏1可以是覆蓋2眼的長條形顯示屏，兩塊凹面反射鏡3分別位于顯示屏1相對于的下方，當然兩塊凹面反射鏡3也可以連為一塊長條形的，但是效果不如分開的好。偏振反射片2斜向設置，既偏振反射片2的遠端均靠近凹面反射鏡3外端，偏振反射片2的近端靠近顯示屏1的內端。

上述偏振反射片2軸向遠側區域是實景5環境，偏振反射片2近側區域是近眼區域；當然此時且偏振反射片2必然位于凹面反射鏡與顯示屏1之間。顯示屏1的顯示面對應偏振反射片2的背眼面，凹面反射鏡3反射面對應偏振反射片2的近眼面。

上述兩塊凹面反射鏡3的作用為使顯示屏的像成像在人眼明視距離之外，兩塊凹面反射鏡分別對應左右眼。同時人眼可透過偏振片看到外面的景物。

實施例4：如圖6所示，利用實施例1的增強現實近眼顯示系統制備的頭戴顯示設備，它頭戴顯示設備包括頭戴支架，頭戴支架對應于人眼位置設有目鏡安裝通孔；偏振反射片2安裝于目鏡安裝通孔內，顯示屏1裝于頭戴支架周向外圍位置，凹面反射鏡3對應所述顯示屏1，并安裝于頭戴支架上。頭戴顯示設備是雙目頭戴顯示設備，頭戴支架對應于人雙眼位置設有一對目鏡安裝通孔。顯示屏1、偏振反射片2的數量有兩塊，凹面反射鏡3是雙凹面反射鏡3a。兩塊偏振反射片2分別斜向對應設置在兩個目鏡安裝通孔上；兩塊偏振反射片2的遠端均靠近一對目鏡安裝通孔之間的中間位置，兩塊偏振反射片2的近端分別靠近目鏡安裝通孔的左右兩外側。雙凹面反射鏡豎立于一對目鏡安裝通孔之間的中間位置，兩塊顯示屏1分別位于一對目鏡安裝通孔的左右兩外側。

其中屏幕的大小決定整個系統的厚度，對于消費類頭戴顯示設備，整個系統越薄越好，而屏幕越小，視場角越小，因此對于產品需要在屏幕尺寸、系統厚度、視場角之間平衡。對于單目，屏幕的大小一般滿足：對角線長＝0.5英寸～3.8英寸；若雙屏在一起如手機屏幕，屏幕對角線大小滿足：對角線長＝4.7英寸～7英寸。

頭戴支架將顯示屏1、偏振反射片2和雙凹面反射鏡3a固定之后，為了確保有很好的顯示效果，頭戴支架的形狀要確保：顯示屏1的顯示面至偏振反射片2之間應當是無障礙的，凹面反射鏡3的反射面至偏振反射片2之間也應當是無障礙。

實施例5：如圖7所示，利用實施例3的增強現實近眼顯示系統制備的頭戴顯示設備，頭戴顯示設備包括頭戴支架，頭戴支架對應于人眼位置設有目鏡安裝通孔；偏振反射片2安裝于目鏡安裝通孔內，顯示屏1裝于頭戴支架周向外圍位置，凹面反射鏡3對應所述顯示屏1，并安裝于頭戴支架上。頭戴顯示設備是雙目頭戴顯示設備，顯示屏1、偏振反射片2的數量為一塊，顯示屏1位于眼上方且顯示方向朝下。對應地，凹面反射鏡3位于眼下方且反射面朝上。如實施例3，這里凹面反射鏡3數量可以是兩塊，目的是為了發射不相互干擾。

頭戴支架將顯示屏1、偏振反射片2和凹面反射鏡3固定之后，為了確保有很好的顯示效果，頭戴支架的形狀要確保：顯示屏1的顯示面至偏振反射片2之間應當是無障礙的，凹面反射鏡3的反射面至偏振反射片2之間也應當是無障礙。