CN105629475A - 一种增强现实显示设备 - Google Patents

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CN105629475A CN201610149055.8A CN201610149055A CN105629475A CN 105629475 A CN105629475 A CN 105629475A CN 201610149055 A CN201610149055 A CN 201610149055A CN 105629475 A CN105629475 A CN 105629475A
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周旭东
黄琴华
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Abstract

本发明公开了一种增强现实显示设备，包括光源输出装置、MEMS振镜、可透可反装置和光线反射会聚装置，MEMS振镜设置于光线反射会聚装置的焦点上、或光线反射会聚装置的光轴上且远离焦点；光源输出装置用于输出根据影像信息调制的光线；光源输出装置输出的光线经MEMS振镜反射，再由可透可反装置透射至光线反射会聚装置，再经光线反射会聚装置进行会聚后反射至可透可反装置，最后由可透可反装置反射至人眼形成投影图像；环境光线经可透可反装置透射至人眼形成环境图像。由于MEMS振镜设置于光线反射会聚装置的焦点上、或光线反射会聚装置的光轴上且远离焦点，保证了MEMS振镜与光线反射会聚装置之间的光线路径，明显扩大了增强现实显示设备的视场。

Description

一种增强现实显示设备
技术领域
本发明涉及增强现实领域，尤其涉及一种增强现实显示设备。
背景技术
增强现实(英文：AugmentedReality；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***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。
现有的增强现实显示设备大都采用微显示器作为虚拟显示图像源，如LCD、DLP、LCOS或OLED等，光学***通常采用阵列波导、全息波导、离轴光学***等，将虚拟图像投影入人眼，同时可以通过相应的光学***看见外界的真实物体，但均存在视场较小的技术问题，例如谷歌眼镜的视场为14°，微软的全息眼镜的视场为30°等等。
发明内容
本发明的目的是提供一种增强现实显示设备，解决现有的增强现实显示设备存在的视场较小的技术问题，实现扩大增强显示设备的视场的技术效果。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种增强现实显示设备，包括光源输出装置、MEMS振镜、可透可反装置和光线反射会聚装置，所述MEMS振镜设置于所述光线反射会聚装置的焦点上、或所述光线反射会聚装置的光轴上且远离所述焦点；
所述光源输出装置用于输出根据影像信息调制的光线；所述光源输出装置输出的光线经所述MEMS振镜反射，再由所述可透可反装置透射至所述光线反射会聚装置，再经所述光线反射会聚装置进行会聚后反射至所述可透可反装置，最后由所述可透可反装置反射至人眼形成投影图像；环境光线经所述可透可反装置透射至人眼形成环境图像。
可选地，所述MEMS振镜能够在第一方向和第二方向上进行偏转，所述第一方向与所述第二方向垂直。
可选地，所述光源输出装置包括主控单元、三色激光发生单元和合光单元；所述主控单元对所述影像信息进行解码并生成所述三色激光发生单元的控制时序，所述三色激光发生单元根据所述控制时序发出激光，所述合光单元将所述三色激光发生单元发出的激光组合为相同光路。
可选地，所述三色激光发生单元具体为红绿蓝激光发生单元。
可选地，所述三色激光发生单元中每种激光发生单元具有准直器和/或光束整形元件。
可选地，所述合光单元具体为X立方体棱镜或二向色镜合色结构。
可选地，所述增强现实头戴式显示设备还包括驱动装置，所述驱动装置根据所述主控单元生成的二维偏转驱动信号，在所述三色激光发生单元根据所述控制时序发出激光时，同步控制所述MEMS振镜进行偏转。
可选地，所述可透可反装置具体为表面镀有可透可反膜层的平板玻璃，或包括由两片直角棱镜胶合而成的棱镜结构，所述棱镜结构的胶合面镀有所述可透可反膜层。
可选地，所述可透可反膜层的透射光和反射光的比例为1：1。
可选地，所述可透可反膜层的平面与静止时的所述MEMS振镜的法线成75°～105°的夹角。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
由于本发明实施例提供的增强现实显示设备中MEMS振镜设置于光线反射会聚装置的焦点上、或光线反射会聚装置的光轴上且远离焦点，保证了MEMS振镜与光线反射会聚装置之间的光线路径，明显扩大了增强现实显示设备的视场，从而能够向用户展示更多的内容，继而提高了用户的使用体验。
附图说明
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：
图1为本发明实施例提供的增强现实显示设备的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的MEMS振镜20位于光线反射会聚装置40的焦点时视场的示意图；
图3为本发明实施例提供的MEMS振镜20位于光线反射会聚装置40的光轴上且远离焦点时视场的示意图；
图4为本发明实施例提供的第一个实施例的增强现实显示设备的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的X立方体棱镜1031的光路示意图；
图6为本发明实施例提供的第二个实施例的增强现实现实设备的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的二向色镜合色结构1032的光路示意图；
图8为本发明实施例提供的可透可反装置30为表面镀有可透可反膜层的平板玻璃31的光路示意图；
图9为本发明实施例提供的可透可反装置30为由两片直角棱镜胶合而成的棱镜结构32的光路示意图。
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。
本发明实施例提供一种增强现实显示设备，请参考图1，图1为本发明实施例提供的增强现实显示设备的结构示意图，如图1所示，该设备包括光源输出装置10、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem,微机电***)振镜20、可透可反装置30和光线反射会聚装置40。
首先，介绍一下本发明实施例提供的增强现实显示设备的光路图：请继续参考图1，如图1所示，光源输出装置10用于输出根据影像信息调制的光线；光源输出装置10输出的光线经MEMS振镜20反射，再由可透可反装置30透射至光线反射会聚装置40，再经光线反射会聚装置进行会聚后反射至可透可反装置30，最后由可透可反装置30反射至人眼110形成投影图像，从而在视网膜120上成像；环境光线经可透可反装置30透射至人眼110形成环境图像。这样，用户不仅能够看见增强现实显示设备提供的虚拟图像，还能够看见外界环境的真实图像，从而获得虚拟图像和真实图像叠加后的增强现实的显示效果。
然后，介绍一下本发明实施例提供的增强现实显示设备如何实现扩大视场的过程：在本实施例中，MEMS振镜20设置于光线反射会聚装置40的焦点上、或光线反射会聚装置40的光轴上且远离焦点，继续参考图2和图3，图2为本发明实施例提供的MEMS振镜20位于光线反射会聚装置40的焦点时视场的示意图，图3为本发明实施例提供的MEMS振镜20位于光线反射会聚装置40的光轴上且远离焦点时视场的示意图。在实际应用中，MEMS振镜20在水平方向和垂直方向上的偏转角度可以达到40°×30°，甚至更大，在接下来的部分中，以40°×30°为例进行介绍：
如图2所示，在MEMS振镜20设置在光线反射会聚装置40的焦点时，经过MEMS振镜20反射的光线由可透可反装置30透射至光线反射会聚装置40后，再经光线反射会聚装置40进行会聚后反射至可透可反装置30，最后由可透可反装置30反射至人眼形成投影图像，此时，从而在视网膜120上的成像角度为40°×30°，提供给用户的视场为40°×30°，需要说明的是，图2中仅仅示出了一个方向，另一个方向同理可知。可以明显看出，与现有技术中增强现实显示设备的视场相比，本发明实施例提供的增强现实显示设备的视场明显扩大，从而能够向用户展示更多的内容，继而提高了用户的使用体验；
请继续参考图3，由于MEMS振镜20位于光线反射会聚装置40的光轴上且远离焦点，所以光线反射会聚装置40会聚的光线在人眼处会聚的角度会变大，本发明实施例提供的增强现实现实设备提供的视场也会大于40°×30°这一视场，从而使得本发明实施例提供的增强现实显示设备能够向用户提供更大的视场，在此就不再赘述了。需要注意的是，若MEMS振镜20与光线反射会聚装置40之间的距离越远，则会造成本发明实施例提供的增强现实显示设备的体积越大，当然了，通过本实施例的介绍，本领域所属的技术人员能够根据实际情况，将MEMS振镜20与光线反射会聚装置40之间的距离设置为合适的数值，以满足实际情况的需要，在此就不再赘述了。
通过上述部分可以看出，由于本发明实施例提供的增强现实显示设备中MEMS振镜20设置于光线反射会聚装置40的焦点上、或光线反射会聚装置40的光轴上且远离焦点，保证了MEMS振镜与光线反射会聚装置之间的光线路径，明显扩大了增强现实显示设备的视场，从而能够向用户展示更多的内容，继而提高了用户的使用体验。
在接下来的部分中，将详细介绍本发明实施例提供的增强现实显示设备中各个部件的详细构成以及运行过程。
在本实施例中，请继续参考图1，光源输出装置10具体包括主控单元101、三色激光发生单元102和合光单元103；主控单元101对影像信息进行解码，解码的目的在于使得该影像信息能够通过三色激光发生单元102输出，并根据解码的结果生成三色激光发生单元102的控制时序；三色激光发生单元102可以根据该控制时序发出激光，以便通过后续的光学***在人眼中投影出该影像信息；合光单元103用于将三色激光发生单元102发出的激光组合为相同光路。
在具体实施过程中，主控单元101可以包括一个或者多个处理芯片及其连接电路，处理芯片例如可以是微处理器、桌面处理器等等，以满足实际情况的需求为准，在此不做限制。
三色激光发生单元102可以包括红色激光发生单元、绿色激光发生单元和蓝色激光发生单元，例如，红色激光发生单元可以发出波长为635nm或者650nm的红光，绿色激光发生单元可以发出波长为532nm的绿光，蓝色激光发生单元可以发出波长为445nm的蓝光，需要说明的是，此处各色激光的波长仅仅是举例而不是用于限制本发明，本领域所属的技术人员通过本实施例的介绍，能够根据实际情况将这些数值调整为其他合适的数值，以满足实际情况的需要，在此就不再赘述了。
需要说明的是，在本实施例中，是通过RGB(红绿蓝)色彩模式对需要投影到人眼的影像进行编码的，所以光源输出装置10中也采用了相应的RGB激光发生单元来发射对应的激光，在其他实施例中，根据所采用的色彩模式的不同，光源输出装置10中所采用的光源也不相同，在此不做限制。
在具体实施过程中，三色激光发生单元102中的各类激光发生单元具体可以采用半导体激光发生器、固态激光发生器等等，在此不做限制。
当然了，为了保证三色激光发生单元102中每个激光发生单元发出的激光的可用性，可以在每个激光发生单元中设置准直器和/或光束整形元件，准直器和光束整形元件具体可以具有球面或者非球面结构，从而实现对每个激光发生单元发出的光束进行整形和准直，在此就不再赘述了。
在其他实施例中，光源输出装置10中除了可以采用上述的三色激光发生单元102外，还可以使用LED(LightEmittingDiode，发光二极管)等来发出需要的光线，在此不做限制。
合光单元103具体可以为X立方体棱镜或二向色镜合色结构，在接下来的部分中，将分别介绍这两种情况。
先介绍合光单元103具体为X立方体棱镜的情形，请参考图4，图4为本发明实施例提供的第一个实施例的增强现实显示设备的结构示意图，如图4所示，合光单元103具体为X立方体棱镜1031，X立方体棱镜1031能够将红色激光发生单元1021、绿色激光发生单元1022和蓝色激光发生单元1023各自发出的激光组合为相同方向上的相同路径，从而在相同方向的相同路径上将激光发送到MEMS振镜20，激光经过MEMS振镜20反射，再由可透可反装置30透射至光线反射会聚装置40，再经光线反射会聚装置40进行会聚后反射至可透可反装置30，最后由可透可反装置30反射至人眼形成投影图像，从而实现在人眼中投射虚拟图像的效果。
请继续参考图5，图5为本发明实施例提供的X立方体棱镜1031的光路示意图，如图5所示，X立方体棱镜1031包括红光入射面10311、绿光入射面10312、蓝光入射面10313、第一选择反射层10314、第二选择反射层10315和出射面10316；这样，如图5所示，在红色激光发生单元1021、绿色激光发生单元1022和蓝色激光发生单元1023，将各自发出的红色激光(R)、绿色激光(G)和蓝色激光(B)分别发射到红光入射面10311、绿光入射面10312、蓝光入射面10313后，第一选择反射层10314能够反射红色激光且能够透射绿色激光和蓝色激光，第二选择反射层10315能够反射蓝色激光且透射绿色激光和红色激光，可以看出，通过X立方体棱镜，能够将通过红光入射面10311入射的红色激光、绿光入射面10312入射的绿色激光和蓝光入射面10313入射的蓝色激光通过出射面10316射出，从而实现了将三色激光发生单元102发出的激光组合为相同光路的目的。
在具体实施过程中，第一选择反射层10314和第二选择反射层10315可以通过在X立方体棱镜1031内镀上相应的选择反射膜层来实现，例如，X立方体棱镜1031可以由四个三角柱构成，并在三角柱对应的面上镀上选用二氧化硅(化学式：SiO2)和五氧化二钽(化学式：Ta2O5)等材料形成的薄膜，从而使得第一反射层10314能够反射红色激光且能够透射绿色激光和蓝色激光，第二选择反射层10315能够反射蓝色激光且透射绿色激光和红色激光。
在其他实施例中，根据红色激光发生单元1021、绿色激光发生单元1022和蓝色激光发生单元1023的位置不同，可以为第一选择反射层10314和第二选择反射层10315选择其他合适的材质，从而保证从各个入射面入射的光均能够从出射面10316射出，在此就不再赘述了。
接下来再介绍合光单元103具体为二向色镜合色结构的情形，请参考图6，图6为本发明实施例提供的第二个实施例的增强现实现实设备的结构示意图，如图6所示，合光单元103具体为二向色镜合色结构1032，二向色镜合色结构1032能够将将红色激光发生单元1021、绿色激光发生单元1022和蓝色激光发生单元1023各自发出的激光组合为相同方向上的相同路径，从而在相同方向的相同路径上将激光发送到MEMS振镜20，后续的光路在图4中已经进行了详细的介绍，在此为说明书的简洁，就不再赘述了。
请继续参考图7，图7为本发明实施例提供的二向色镜合色结构1032的光路示意图，如图7所示，二向色镜合色结构1032包括二向色镜10321和二向色镜10322，二向色镜10321能够反射红色激光且透射绿色激光，二向色镜10322能够反射蓝色激光且透射红色激光和绿色激光；这样，如图7所示，绿色激光发生单元1022发出的绿色激光能够透射过二向色镜10321和二向色镜10322至MEMS振镜20，红色激光发生单元1021发出的红色激光能够在二向色镜10321上发生反射并透射过二向色镜10322至MEMS振镜20，蓝色激光发生单元1023发出的蓝色激光能够在二向色镜10322上发生反射至MEMS振镜20，从而实现了将三色激光发生单元102发出的激光组合为相同光路的目的。
当然了，通过本实施例的介绍，本领域所属的技术人员还能够根据实际情况，选择其他合适的合光方式，以满足实际情况的需要，在此就不再赘述了。
请继续参考图4，在接下来的部分中，将介绍本发明实施例提供的增强现实显示设备中的MEMS振镜20。
MEMS振镜又被称为MEMS扫描振镜，能够将前述的光源输出装置10输出的光线进行反射，只要MEMS振镜扫描的速度足够，就能够根据人眼的视觉暂留现象，使用户能够看见相应的投影图像。
在具体实施过程中，MEMS振镜20能够在第一方向和第二方向上进行偏转，该第一方向与第二方向垂直，例如，MEMS振镜20可以在水平方向和垂直方向上进行偏转。
在本实施例中，MEMS振镜20可以采用一个二维的MEMS振镜，或者采用两个一维的MEMS振镜组合来实现，在此不做限制。
在具体实施过程中，请继续参考图4，增强现实头戴式显示设备还包括驱动装置50，驱动装置50能够根据主控单元101生成的二维偏转驱动信号，通过热驱动、静电驱动、电磁驱动或者压电驱动等等方式控制MEMS振镜20进行偏转，具体地，在三色激光发生单元102根据控制时序发出某一图像对应的激光时，驱动装置50同步控制MEMS振镜20进行偏转，这样，三色激光发生单元102发出某一图像解码后对应的激光，被MEMS振镜20反射至对应的位置，例如，经过解码后，该图像的A点为红色激光，与A点不同的B点为蓝色激光，且扫描顺序为先扫描A点再扫描B点，则在三色激光发生单元102根据对应的控制时序生成红色激光时，驱动装置50同步控制MEMS振镜20偏转至A点对应的位置，使得该红色激光恰好被反射至A点，在三色激光发生单元102根据对应的控制时序生成蓝色激光时，驱动装置50同步控制MEMS振镜20偏转至B点对应的位置，使得该红色激光恰好被反射至B点，以此类推，从而实现对该图像的扫描，使得人眼能够接收到该图像。
在实际应用中，二维偏转驱动信号可以是方波、三角波或正弦波等等。
可透可反装置30具体可以为表面镀有可透可反膜层的平板玻璃，或包括由两片直角棱镜胶合而成的棱镜结构，在接下来的部分中，将分别介绍这两种情况。
请参考图8，图8为本发明实施例提供的可透可反装置30为表面镀有可透可反膜层的平板玻璃31的光路示意图，如图8所示，经MEMS振镜20反射的光线能够透射过平板玻璃31，并被光线反射会聚装置40会聚后再反射至平板玻璃31，最后由平板玻璃31上的可透可反膜层反射至人眼形成投影图像；外界的环境光线也能够透射过平板玻璃31上的可透可反膜层至人眼形成环境图像。
请继续参考图9，图9为本发明实施例提供的可透可反装置30为由两片直角棱镜胶合而成的棱镜结构32的光路示意图，如图9所示，该棱镜结构32由两片直角棱镜321和322胶合而成，并且在胶合面上镀有一层可透可反膜层323；这样，经MEMS振镜20反射的光线能够透射过可透可反膜层323，并被光线反射会聚装置40会聚后再反射至可透可反膜层323，最后由可透可反膜层323反射至人眼形成投影图像；外界的环境光线也能够透射过平板玻璃31上的可透可反膜层至人眼形成环境图像。
这样，通过本发明实施例提供的可透可反装置30，用户不仅能够看见增强现实显示设备提供的虚拟图像，还能够看见外界环境的真实图像，从而获得虚拟图像和真实图像叠加后的增强现实的显示效果。
在具体实施过程中，可透可反膜层具体可以通过在平板玻璃31或棱镜结构32的胶合面上，镀上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，从而使得平板玻璃31或棱镜结构32实现可透可反的功能，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|HLHL|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，在此就不再赘述。
在具体实施过程中，可透可反膜层的透射光和反射光的比例可以为1：1。当然，在实际应用中，通过本实施例的介绍，本领域所属的技术人员能够根据实际情况，将透射光和反射光的比例设置为其他合适的数值，以满足实际情况的需要，在此就不再赘述了。
在具体实施过程中，可透可反膜层的平面与静止时的MEMS振镜的法线成75°～105°的夹角，在一较优的实施例中，可透可反膜层的平面与静止时的MEMS振镜的法线呈90°的夹角。
请继续参考图1，光线反射会聚装置40具体为反射会聚凹面镜，在此就不再赘述了。
本发明实施例中的一个或者多个方案，至少具有以下技术效果或者优点：
由于本发明实施例提供的增强现实显示设备中MEMS振镜20设置于光线反射会聚装置40的焦点上、或光线反射会聚装置40的光轴上且远离焦点，保证了MEMS振镜与光线反射会聚装置之间的光线路径，明显扩大了增强现实显示设备的视场，从而能够向用户展示更多的内容，继而提高了用户的使用体验。
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。
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。
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。

Claims (10)

1.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括光源输出装置、MEMS振镜、可透可反装置和光线反射会聚装置，所述MEMS振镜设置于所述光线反射会聚装置的焦点上、或所述光线反射会聚装置的光轴上且远离所述焦点；
所述光源输出装置用于输出根据影像信息调制的光线；所述光源输出装置输出的光线经所述MEMS振镜反射，再由所述可透可反装置透射至所述光线反射会聚装置，再经所述光线反射会聚装置进行会聚后反射至所述可透可反装置，最后由所述可透可反装置反射至人眼形成投影图像；环境光线经所述可透可反装置透射至人眼形成环境图像。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述MEMS振镜能够在第一方向和第二方向上进行偏转，所述第一方向与所述第二方向垂直。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述光源输出装置包括主控单元、三色激光发生单元和合光单元；所述主控单元对所述影像信息进行解码并生成所述三色激光发生单元的控制时序，所述三色激光发生单元根据所述控制时序发出激光，所述合光单元将所述三色激光发生单元发出的激光组合为相同光路。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述三色激光发生单元具体为红绿蓝激光发生单元。
5.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述三色激光发生单元中每种激光发生单元具有准直器和/或光束整形元件。
6.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述合光单元具体为X立方体棱镜或二向色镜合色结构。
7.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述增强现实头戴式显示设备还包括驱动装置，所述驱动装置根据所述主控单元生成的二维偏转驱动信号，在所述三色激光发生单元根据所述控制时序发出激光时，同步控制所述MEMS振镜进行偏转。
8.如权利要求1至7任一项所述的设备，其特征在于，所述可透可反装置具体为表面镀有可透可反膜层的平板玻璃，或包括由两片直角棱镜胶合而成的棱镜结构，所述棱镜结构的胶合面镀有所述可透可反膜层。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述可透可反膜层的透射光和反射光的比例为1：1。
10.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述可透可反膜层的平面与静止时的所述MEMS振镜的法线成75°～105°的夹角。
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