一種近眼顯示系統及增強現實設備的制作方法

本實用新型涉及增強現實領域，尤其涉及一種近眼顯示系統及增強現實設備。

背景技術：

增強現實(英文：Augmented Reality；簡稱：AR)，是利用虛擬物體或信息對真實場景進行現實增強的技術。增強現實技術通常基于攝像頭等圖像采集設備獲得的真實物理環境影像，通過計算機系統識別分析及查詢檢索，將與之存在關聯的文本內容、圖像內容或圖像模型等虛擬生成的擴展信息或虛擬場景顯示在真實物理環境影像中，從而使用戶能夠獲得身處的現實物理環境中的真實物體的標注、說明等相關擴展信息，或者體驗到現實物理環境中真實物體的立體的、突出強調的增強視覺效果。

現有的增強現實設備一般通過平板波導技術或衍射波導技術將光線引入人眼中，以平板波導技術為例，請參考圖1，圖1為現有技術中平板波導技術對應的光路圖，如圖1所示，每一光束被每一內嵌反射鏡的多次反射和透射，在人眼100處觀察到的虛擬圖像的亮度不均，且由于不同波段的光譜在波導內的折射率不一樣，反射和透射的角度不一樣，光透射和反射系數不一樣，從而導致在人眼100處觀察到的虛擬圖像的色彩不均，并且隨著光線的透射次數和反射次數的增加，光線的損失率也逐漸增高，導致虛擬圖像的亮度也逐漸降低，極大地影響了用戶體驗；而衍射波導技術中衍射元件本身就具有色散大的缺陷，并且衍射效率對入射光譜的波長和角度很敏感，從而導致在人眼處觀察到的虛擬圖像的色彩和亮度不均，也會極大地影響用戶體驗。

因此，現有技術中存在增強現實設備提供的虛擬圖像的色彩和亮度不均的技術問題，極大地影響了增強現實設備的用戶體驗。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種近眼顯示系統及增強現實設備，解決了現有 技術中存在的增強現實設備提供的虛擬圖像的色彩和亮度不均的技術問題，能夠為用戶提供色彩和亮度均勻的虛擬圖像。

為了實現上述實用新型目的，本實用新型實施例第一方面提供了一種近眼顯示系統，包括：掃描光源、焦距鏡組、可反可透平面鏡和可反可透凹面鏡；

所述掃描光源輸出的掃描光線經過所述焦距鏡組后，被所述可反可透平面鏡反射至可反可透凹面鏡，經過所述可反可透凹面鏡會聚反射后，再經所述可反可透平面鏡后被人眼接收；

外界環境光線依次經過所述可反可透凹面鏡和所述可反可透平面鏡后被人眼接收。

可選地，所述掃描光源設置于所述焦距鏡組上方，所述可反可透平面鏡設置于所述焦距鏡組下方，且所述可反可透平面鏡位于所述可反可透凹鏡與人眼之間。

可選地，所述掃描光源包括光束提供單元和二維掃描器件，所述光束提供單元用于發出準直光線，所述二維掃描器件用于將所述準直光線在兩個不同的方向上進行掃描，輸出所述掃描光線。

可選地，所述光束提供單元具體包括激光發生器和準直組件，所述激光發生器用于生成激光，所述準直組件用于將所述激光進行準直處理，以輸出所述準直光線。

可選地，所述光束提供單元還包括光纖耦合組件和光纖，所述光纖耦合組件用于將所述激光發生器生成的激光耦合進入所述光纖，所述光纖將所述激光發射至所述準直組件。

可選地，所述光纖的出射端研磨為曲面結構。

可選地，所述二維掃描器件具體為DMD、二維MEMS振鏡、雙單軸MEMS振鏡、EOD或液晶光柵。

可選地，所述焦距鏡組包括定焦鏡組或可變焦鏡組。

可選地，所述可變焦鏡組具體為液晶透鏡。

本實用新型實施例第二方面提供了一種增強現實設備，包括如第一方面任一所述的近眼顯示系統。

本實用新型實施例中的一個或者多個技術方案，至少具有如下技術效果或者優點：

本實用新型實施例提供的近眼顯示系統中采用了傳統光學器件來將掃描光線和外界環境光線傳遞至人眼，由于傳統光學器件在傳遞圖像光線時具有低色散的優點，所以保證了本實用新型實施例提供的近眼顯示光學系統提供的虛擬圖像色彩的準確性，同時圖像光線進入人眼的損失率相同，不存在同一圖像的一部分光線的損失率較低而另一部分光線的損失率較高而出現的亮度不均勻的現象，從而保證了虛擬圖像的亮度的均勻性，避免了因虛擬圖像的色彩和亮度不均而影響增強現實設備的用戶體驗。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖：

圖1為現有技術中平板波導技術對應的光路圖；

圖2為本實用新型實施例提供的近眼顯示系統的結構示意圖；

圖3為本實用新型實施例提供的掃描光源201的結構示意圖；

圖4A和圖4B為光纖20114的出射端為曲面結構的兩種實現方式的示意圖。

具體實施方式

下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

本實用新型實施例第一方面提供了一種近眼顯示系統，請參考圖2，圖2為本實用新型實施例提供的近眼顯示系統的結構示意圖，如圖2所示，該近眼顯示系統包括：掃描光源201、焦距鏡組202、可反可透平面鏡203和可反可透凹面鏡204；

掃描光源201輸出的掃描光線經過焦距鏡組202后，被可反可透平面鏡203 反射至可反可透凹面鏡204，經過可反可透凹面鏡204會聚反射后，再經可反可透平面鏡203后被人眼接收，這樣，通過人眼的視網膜的視覺暫留現象，掃描光線在就能夠在人眼中形成虛擬圖像；

外界環境光線依次經過可反可透凹面鏡204和可反可透平面鏡203后被人眼接收，從而能夠在人眼中形成外界環境圖像。

可以看出，本實用新型實施例提供的近眼顯示系統能夠向用戶同時提供掃描光源201輸出的掃描光線和外界環境光線，使得掃描光線形成的虛擬圖像能夠疊加在外界環境光線形成的外界環境圖像上，從而能夠向用戶提供增強現實的體驗。

通過上述結構可以看出，本實用新型實施例提供的近眼顯示系統中采用了傳統光學器件來將掃描光線和外界環境光線傳遞至人眼，由于傳統光學器件在傳遞圖像光線時具有低色散的優點，所以保證了本實用新型實施例提供的近眼顯示光學系統提供的虛擬圖像色彩的準確性，同時圖像光線進入人眼的損失率相同，不存在同一圖像的一部分光線的損失率較低而另一部分光線的損失率較高而出現的亮度不均勻的現象，從而保證了虛擬圖像的亮度的均勻性，避免了因虛擬圖像的色彩和亮度不均而影響增強現實設備的用戶體驗。

在本實施例中，掃描光源201設置于焦距鏡組202上方，可反可透平面鏡203設置于焦距鏡組202下方，且可反可透平面鏡203位于可反可透凹鏡與人眼之間。

在本實施例中，請繼續參考圖2，如圖2所示，掃描光源201包括光束提供單元2011和二維掃描器件2012，光束提供單元2011用于發出準直光線，二維掃描器件2012用于將準直光線在兩個不同的方向上進行掃描，輸出掃描光線。

請參考圖3，圖3為本實用新型實施例提供的掃描光源201的結構示意圖，如圖3所示，光束提供單元2011具體包括激光發生器20111和準直組件20112，激光發生器20111用于生成激光，準直組件20112用于將激光進行準直處理，以輸出準直光線。

在本實施例中，請繼續參考圖3，激光發生器20111具體包括紅色激光發生單元201111、藍色激光發生單元201112和綠色激光發生單元201113，以及第一濾波片201114和第二濾波片201115，第一濾波片201114能夠反射紅色激 光且透射藍色激光和綠色激光，第二濾波片201115能夠反射藍色激光且透射綠色激光，這樣，通過第一濾波片201114和第二濾波片201115，即能夠將紅色激光發生單元201111、藍色激光發生單元201112和綠色激光發生單元201113各自生成的激光耦合到一起，同時，通過分別控制紅色激光發生單元201111、藍色激光發生單元201112和綠色激光發生單元201113輸出的能量，即能夠控制耦合后的激光的顏色。

在具體實施過程中，可以在第一濾波片201114和第二濾波片201115上鍍上選用二氧化硅(化學式：SiO₂)和五氧化二鉭(化學式：Ta₂O₅)等材料形成的薄膜，使得第一濾波片201114能夠反射紅色激光且透射藍色激光和綠色激光，且第二濾波片201115能夠反射藍色激光且透射綠色激光，在此就不再贅述了。

請繼續參考圖3，在本實施例中，光束提供單元2011還包括光纖耦合組件20113和光纖20114，光纖耦合組件20113用于將激光發生器生成的激光耦合進入光纖，光纖20114將激光發射至準直組件。

在具體實施過程中，光纖20114的出射端研磨為曲面結構，請參考圖4A和圖4B，圖4A和圖4B為光纖20114的出射端為曲面結構的兩種實現方式的示意圖，如圖4A所示，光纖20114的出射端201141為一個完整的曲面結構，如圖4B所示，光纖20114的出射端201141為圓錐臺加上一個曲面結構。

通過將光纖20114的出射端研磨為曲面結構，可以擴大出射光束的數值孔徑，在短距離的條件下更容易獲得更寬的光束，從而在較短的距離內達到二維掃描器件2012需要的光束寬度，從而減少光纖20114的出射端與二維掃描器件2012之間的距離，增加了掃描光源201的緊湊程度，進而減少了掃描光源201所占的體積。

在具體實施過程中，準直組件20112可以由一個凸透鏡組成，也可以由能夠實現同樣功能的多個透鏡組成，在此不做限制。

在另一實施例中，還可以將激光發生器20111發出的激光直接射入到準直組件20112中，在此就不再贅述了。

請繼續參考圖2，在本實施例中，二維掃描器2012具體為DMD、二維MEMS振鏡、雙單軸MEMS振鏡、電光偏轉器或液晶光柵。

DMD(英文：Digital Micromirror Device；中文：數字微鏡裝置)包括控 制電路和多個可轉動的微鏡片，通過向控制電路發送對應的控制信號，就能夠通過控制電路控制對應的微鏡片轉動，從而實現控制對應的光線偏轉，實現掃描的目的。

MEMS(英文：Micro-Electro-Mechanical System；中文：微機電系統)振鏡又被稱為MEMS掃描振鏡，能夠將前述的掃描光源201輸出的光線進行反射，只要MEMS振鏡掃描的速度足夠快，就能夠根據人眼的視覺暫留現象，在用戶的人眼中形成相應的虛擬圖像。

在具體實施過程中，可以采用一個二維的MEMS振鏡，或者采用兩個一維的MEMS振鏡組合也即雙單軸MEMS振鏡來實現，在此不做限制。

EOD(英文：Electro Optic Deflector；簡稱：電光偏轉器)是效率較高的光束角度改變器件，由電光材料制作而成，可以在電壓的作用下控制光線的偏轉角度，電光材料例如可以是鈮酸鉀晶體(化學式：KNbO₃)或鈮酸鋰晶體(化學式：LiNbO₃)等等，當然，還可以在電光材料上加上四極子電場來產生使得折射率隨著加的電壓而產生線性變化，以消除普通偏轉器上的壓電效應，在此就不再贅述了。

液晶光柵是指通過電場來控制液晶分子形成光柵，并通過控制光柵周期中每個臺階的高度，也即通過控制入射光通過臺階前后的相位差，來實現掃描，液晶光柵可以實質上等效為玻璃基質的階梯型閃耀光柵，在此就不再贅述了。

在具體實施過程中，液晶光柵可以分為反射式液晶光柵和透射式液晶光柵，如圖2所示，在本實施例中，二維掃描器2012具體為反射式液晶光柵，在另一實施例中，二維掃描器2012可以為透射式液晶光柵，則光束提供單元2011的出射光路會穿過透射式液晶光柵，在此就不再贅述了。

上述部分介紹了掃描光源201的具體結構，在接下來的部分中，將介紹掃描光源201的運行原理：

首先，上位機(如近眼顯示系統所在的增強現實設備的處理器)接收到需要顯示的虛擬圖像(或虛擬視頻)后，將每一幀圖像轉換成RGB三種顏色的灰度值數據；例如，激光器設置的最大能量為E，每種顏色的灰度等級為8位，即有256個灰度等級，單位灰度對應的激光需求能量為E/256；

然后，激光器驅動組件和二維掃描器2012接收到顯示虛擬圖像的指令時，激光器驅動組件驅動激光發生器20111中的各個激光發生單元發出對應等級的 激光，耦合之后即獲得虛擬圖像上對應的像素點的顏色，而二維掃描器2012此時則將激光發生器20111發出的光線偏轉至對應的角度，同理，對于虛擬圖像上的下一個像素點，也前述方式進行顯示，直到完成該幀圖像上所有的像素點，一個優選的方案為，將二維掃描器2012的最大掃描位置或最小掃描位置作為掃描起點。

二維掃描器2012從0設置位開始掃描，0設置為可以是任意，優選的，為mems掃描范圍的最大或最小為；掃描速率為v，mems驅動模塊將當前的mems位置信息傳遞給激光驅動模塊根據接收到的mems位置信息獲得該位置信息對應的需顯示圖像像素的灰度值，并將該灰度值轉換為調制激光能量，可以采用時序的方法依次顯示該顯示視場的RGB三色光信息，優先的，三路GRB激光驅動根據該顯示視場對應每一幀的RGB灰度值同步調制RGB光源亮度

請繼續參考圖2，如圖2所示，焦距鏡組202具體可以包括定焦鏡組或可變焦鏡組。

定焦鏡組可以包括位置固定的一個或者多個光學透鏡，該定焦鏡組的焦距不可變化，此時也即人眼的最佳觀察位置是固定的，例如可以應用在頭盔式增強現實設備或帽子式增強現實設備中。

可變焦鏡組可以機械變焦鏡組，也可以是非機械變焦鏡組，在一個實施例中，可以通過機械結構如滑軌、齒輪或者鉸鏈等方式，來調節多個光學透鏡之間的距離，從而實現調節整個光學鏡組的焦距的效果；在另一個實施例中，可變焦鏡組具體可以為液晶透鏡，液晶透鏡在電場的作用下改變折射率，所以通過改變電場即能夠實現改變液晶透鏡的焦距的效果，與機械變焦鏡組相比，液晶透鏡具有體積小、厚度薄、易于集成、成像質量較好和響應時間較快的優點。

可以看出，通過本實用新型實施例提供的可變焦鏡組，能夠使得近視眼用戶或者遠視眼用戶在使用本實用新型實施例提供的近眼顯示系統時無需再佩戴眼鏡，方便了近視眼用戶或者遠視眼用戶的使用。

請繼續參考圖2，如圖2所示，可反可透平面鏡203可以為平面可反可透平面鏡，該平面可反可透平面鏡所在的平面與人眼的水平視線呈30度～60度的夾角，較優地，該平面可反可透平面鏡所在的平面與人眼的水平視線呈45度的夾角。

在實際應用中，可反可透平面鏡203可以是在平板玻璃上鍍上一層可反可 透膜而得到，可反可透膜具體可以通過在平板玻璃上鍍選用具有高折射率的硫化鋅(化學式：ZnS)和具有低折射率的氟化鎂(化學式：MgF2)等材料形成的膜層，具體地，以采用折射率為2.3的硫化鋅和折射率為1.38的氟化鎂為例，可以通過G|HLHL|A或者G|2LHLHL|A的鍍膜結構來實現可透可反的功能，其中，G為玻璃基材，H為硫化鋅，L氟化鎂，2L表示鍍兩層氟化鎂，A表示空氣，在實際應用中，可以通過膜層的厚度來控制透射光和反射光的比例，例如可以將透射光和反射光的比例控制為1:1等等，在此就不再贅述了。

在具體實施過程中，請繼續參考圖2，如圖2所示，可反可透凹面鏡204可以為一旋轉對稱非球面面型的凹面鏡，具有放大的功能，并在近人眼一側鍍有具有某一透射比的膜層，如透射光與反射光的比為3：7，或1：1等等，當然，還可以在可反可透凹面鏡204在遠離人眼一側鍍如抗紫外線，抗輻射等多種功能性膜層，在此不做限制。

掃描光源201輸出的掃描光線在經過焦距鏡組202后，就會被可反可透平面鏡203反射至可反可透凹面鏡204，經過可反可透凹面鏡204會聚反射后，再經可反可透平面鏡203后被人眼接收，這樣，通過人眼的視網膜的視覺暫留現象，掃描光線在就能夠在人眼中形成虛擬圖像；同時，外界環境光線依次經過可反可透凹面鏡204和可反可透平面鏡203后被人眼接收，從而能夠在人眼中形成外界環境圖像，從而使得掃描光線形成的虛擬圖像能夠疊加在外界環境光線形成的外界環境圖像上，從而能夠向用戶提供增強現實的體驗。

可以看出，本實用新型實施例提供的近眼顯示系統中采用了傳統光學器件來將掃描光線和外界環境光線傳遞至人眼，由于傳統光學器件在傳遞圖像光線時具有低色散的優點，所以保證了本實用新型實施例提供的近眼顯示光學系統提供的虛擬圖像色彩的準確性，同時圖像光線進入人眼的損失率相同，不存在同一圖像的一部分光線的損失率較低而另一部分光線的損失率較高而出現的亮度不均勻的現象，從而保證了虛擬圖像的亮度的均勻性，避免了因虛擬圖像的色彩和亮度不均而影響增強現實設備的用戶體驗。

本實用新型實施例第二方面提供了一種增強現實設備，包括如第一方面介紹的近眼顯示系統。

在第一方面中已經詳細介紹了近眼顯示系統的具體結構以及運行過程，在此就不再贅述了。

本實用新型實施例中的一個或者多個技術方案，至少具有如下技術效果或者優點：

本實用新型實施例提供的近眼顯示系統中采用了傳統光學器件來將掃描光線和外界環境光線傳遞至人眼，由于傳統光學器件在傳遞圖像光線時具有低色散的優點，所以保證了本實用新型實施例提供的近眼顯示光學系統提供的虛擬圖像色彩的準確性，同時圖像光線進入人眼的損失率相同，不存在同一圖像的一部分光線的損失率較低而另一部分光線的損失率較高而出現的亮度不均勻的現象，從而保證了虛擬圖像的亮度的均勻性，避免了因虛擬圖像的色彩和亮度不均而影響增強現實設備的用戶體驗。

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說明書(包括任何附加權利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。

本實用新型并不局限于前述的具體實施方式。本實用新型擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。