CN112987305A - Ar投影组件以及ar设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种AR投影组件以及AR设备，所述AR投影组件包括：显示像源，所述显示像源包括Micro‑LED单色显示元件以及Micro‑LED双色显示元件；合光元件，所述合光元件设置于所述Micro‑LED单色显示元件以及Micro‑LED双色显示元件的出光路径上，所述合光元件用于将所述Micro‑LED单色显示元件发出的单色光与所述Micro‑LED双色显示元件发出的双色光合光为全彩图像；透镜组件，所述透镜组件包括在所述合光元件的出光路径上依次靠近所述合光元件设置的第一透镜、第二透镜以及第三透镜，所述第一透镜以及第三透镜具有正焦距，所述第二透镜具有负焦距。本发明能够在高分率要求下缩小所述AR投影组件以及AR设备的尺寸，同时，能够校正像差，提升解析度以及角分辨率。

Description

AR投影组件以及AR设备

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，特别涉及到一种AR投影组件以及AR设备。

背景技术

现有技术中，AR设备要达到更好的显示效果，其中一个改进方向是提高AR设备中的显示器的分辨率，而分辨率越高，显示器的尺寸越大，导致AR设备的整体尺寸也变大。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种AR投影组件，旨在解决现有技术中AR设备的体积过大的问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种AR投影组件，所述AR投影组件包括：显示像源，所述显示像源包括Micro-LED单色显示元件以及Micro-LED双色显示元件；合光元件，所述合光元件设置于所述Micro-LED单色显示元件以及Micro-LED双色显示元件的出光路径上，所述合光元件用于将所述Micro-LED单色显示元件发出的单色光以及所述Micro-LED双色显示元件发出的双色光合光为全彩图像；透镜组件，所述透镜组件包括在所述合光元件的出光路径上依次靠近所述合光元件设置的第一透镜、第二透镜以及第三透镜，所述第一透镜以及第三透镜具有正焦距，所述第二透镜具有负焦距。

进一步地，所述第一透镜背离所述显示像源的表面与所述显示像源之间的距离为16-20mm。

进一步地，所述第一透镜背离所述显示像源的表面与所述AR投影组件的入瞳位置之间的距离为2-4mm。

进一步地，所述Micro-LED单色显示元件发出的单色光为红光、绿光以及蓝光中的一种，相应地，所述Micro-LED双色显示元件发出的双色光为绿蓝光、红蓝光以及红绿光中的一种。

进一步地，所述合光元件具有半反半透性，所述合光元件反射所述单色光并透射所述双色光，或者所述合光元件透射所述单色光并反射所述双色光。

进一步地，所述透镜组件包括自所述光波导元件向所述合光元件所在位置依次设置的第一透镜、第二透镜以及第三透镜，所述第一透镜以及第三透镜具有正焦距，所述第二透镜具有负焦距。

进一步地，所述第一透镜的焦距为f1，所述第二透镜的焦距为f2，所述第三透镜的焦距为f3，且满足：2<f1<15，-10<f2<-1，2<f3<10；

所述第一透镜的阿贝数为v1，所述第二透镜的阿贝数为v2，所述第三透镜的阿贝数为v3，且满足：25<v1<70，10<v2<40，20<v3<65；

所述第一透镜的折射率为n1，所述第二透镜的折射率为n2，所述第三透镜的折射率为n3，且满足：1.5<n1<1.8，1.6<n2<1.8，1.6<n3<1.9。

进一步地，所述第一透镜、第二透镜以及第三透镜的面型包括球面、非球面和自由曲面中的任意一种。

进一步地，在所述第一透镜、第二透镜以及第三透镜的面型均为非球面时，满足：

其中，Z表示在光轴方向非球面上的点与非球面顶点的距离；r表示非球面上的点与光轴的距离；c表示非球面的中心曲率；k表示圆锥率；a4、a6、a8、a10表示非球面高次项系数。

为实现上述目的，本发明还提供一种AR设备，所述AR设备包括如上任一项所述的AR投影组件，所述AR设备还包括：壳体，所述AR投影组件设置于所述壳体中。

本发明的技术方案中，通过将所述显示像源分成所述Micro-LED单色显示元件以及Micro-LED双色显示元件，并将所述合光元件设置于所述Micro-LED单色显示元件以及Micro-LED双色显示元件的出光路径上，将所述Micro-LED单色显示元件发出的单色光以及Micro-LED双色显示元件的双色光合光形成全彩图像，相比于现有技术中在一片Micro-LED基板上设置红绿蓝三种Micro-LED芯片，占用较大的空间，本发明通过合理设置所述Micro-LED单色显示元件以及Micro-LED双色显示元件与所述合光元件的位置，在同一高分辨率下，所述Micro-LED单色显示元件以及Micro-LED双色显示元件可以占用更小的空间，从而解决高分率要求下所述显示像源尺寸太大导致的AR投影组件整体尺寸变大的问题。进一步地，通过将具有正焦距的第一透镜、第三透镜以及具有负焦距的第二透镜设置在所述合光元件的的出光路径上，且所述第一透镜、第二透镜、第三透镜以及所述合光元件依次排列设置，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜可以有效校正场曲、畸变、色散以及球差等像差，提升AR投影组件的解析度，以及提升用户在一定视场下的角分辨率，从而提升用户视觉体验。

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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明的AR设备的一实施例的结构示意图；

图2为本发明的AR投影组件的一实施例的结构示意图；

图3为本发明的显示像源与透镜组件所组成的光学***的光学传递函数曲线图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请一并参阅图1-3，本发明提出的一种AR投影组件100，所述AR投影组件100包括：显示像源10，所述显示像源10包括Micro-LED单色显示元件11以及Micro-LED双色显示元件12；合光元件20，所述合光元件20设置于所述Micro-LED单色显示元件11以及Micro-LED双色显示元件12的出光路径上，所述合光元件20用于将所述Micro-LED单色显示元件11发出的单色光与所述Micro-LED双色显示元件12发出的双色光合光为全彩图像；透镜组件30，所述透镜组件30包括在所述合光元件20的出光路径上依次靠近所述合光元件20设置的第一透镜31、第二透镜32以及第三透镜33，所述第一透镜31以及第三透镜具有正焦距33，所述第二透镜32具有负焦距。

在本实施例中，所述显示像源10作为显示器，用于显示图像，所述显示像源10显示的图像与真实世界融合形成超越现实的增强现实图像，供人眼50观看。所述显示像源10包括Micro-LED单色显示元件11以及Micro-LED双色显示元件12，所述Micro-LED单色显示元件11用于发出单色光，例如所述Micro-LED单色显示元件11发出的单色光为红光、绿光以及蓝光中的一种，相应地，所述Micro-LED双色显示元件12用于发出双色光，例如，所述Micro-LED双色显示元件12发出的双色光为绿蓝光、红蓝光以及红绿光中的一种，所述Micro-LED单色显示元件11发出的单色光与所述Micro-LED双色显示元件12的发出的双色光包括红光、蓝光、绿光这三种三原色光，以使三原色光经过所述合光元件20形成全彩图像。

在本实施例中，所述合光元件20设置于所述Micro-LED单色显示元件11以及Micro-LED双色显示元件12的出光路径上，所述合光元件20用于将所述Micro-LED单色显示元件11发出的单色光与所述Micro-LED双色显示元件12发出的双色光合光为全彩图像，具体地，所述合光元件20也可叫做滤光片，具有半反半透性，所述合光元件20可以是反射所述单色光并透射所述双色光，例如，在所述Micro-LED单色显示元件11发出的单色光出射到所述合光元件20上，所述合光元件20将所述单色光向所述透镜组件30方向反射，在所述Micro-LED双色显示元件12发出的双色光出射到所述合光元件20上，所述合光元件20透射所述双色光，使得所述双色光也向所述透镜组件30方向出射，此时，所述双色光与单色光合光形成全彩图像；或者所述合光元件20可以是透射所述单色光并反射所述双色光，例如，在所述Micro-LED双色显示元件12发出的双色光出射到所述合光元件20上，所述合光元件20将所述双色光向所述透镜组件30方向反射，在所述Micro-LED单色显示元件11发出的单色光出射到所述合光元件20上时，所述合光元件20透射所述单色光，使得所述单色光也向所述透镜组件30方向出射，此时，所述单色光与双色光合光形成全彩图像；此外，所述合光元件20还有校正像差的作用。可以理解，所述Micro-LED单色显示元件11以及所述Micro-LED双色显示元件12在图1中的位置可以互换。

在本实施例中，所述透镜组件30设置于所述合光元件20的出光方向上，用于校正像差，所述透镜组件30可由一个或者多个透镜组成，具体地，所述透镜组件30包括在所述合光元件20的出光路径上依次靠近所述合光元件20设置的第一透镜31、第二透镜32以及第三透镜33，所述第一透镜31以及第三透镜具有正焦距33，所述第二透镜32具有负焦距，所述第一透镜31以及第三透镜33可以是凸透镜，所述第二透镜32可以是凹透镜。进一步地具体地，所述第一透镜31的焦距为f1，所述第二透镜32的焦距为f2，所述第三透镜33的焦距为f3，且满足：2<f1<15，-10<f2<-1，2<f3<10；所述第一透镜31的阿贝数为v1，所述第二透镜32的阿贝数为v2，所述第三透镜33的阿贝数为v3，且满足：25<v1<70，10<v2<40，20<v3<65；所述第一透镜31的折射率为n1，所述第二透镜32的折射率为n2，所述第三透镜33的折射率为n3，且满足：1.5<n1<1.8，1.6<n2<1.8，1.6<n3<1.9。如此，可以让所述合光元件20出射的全彩图像的光在在通过所述第一透镜31、第二透镜32以及第三透镜33的过程中，比较平缓通顺，没有突变和陡峭的现象，因此可以有效的校正场曲、畸变、色散以及球差等像差，提升光学***的解析度，提升用户的视觉体验。

具体地，所述AR投影组件100的其中一实施例的具体设计参数参见下表1，其中，表面S1是所述光波导元件40上的孔径光阑朝向所述第一透镜31的表面，表面S2是所述第一透镜31朝向孔径光阑的表面，表面S3是所述第一透镜31朝向第二透镜32的表面，表面S4是所述第二透镜32朝向第一透镜31的表面，表面S5是所述第二透镜32朝向第三透镜33的表面，表面S6是所述第三透镜33朝向第二透镜32的表面，表面S7是所述第三透镜33朝向合光元件20的表面，表面S8是所述合光元件20朝向所述Micro-LED单色显示元件11的表面，表面S9是所述合光元件20朝向所述以及Micro-LED双色显示元件12的表面，表面S10是所述Micro-LED单色显示元件11朝向所述合光元件20的表面，表面S11是所述双色显示元件12朝向所述合光元件20的表面。

表1

进一步地，所述AR投影组件100与光波导元件40配合使用，所述光波导元件40设置于所述透镜组件30的出光路径上，与所述透镜组件30间隔设置，所述光波导元件40用于接收所述透镜组件30出射的全彩图像，并将全彩图像的光线经过多次传导、改变光线的传播路径后投射到人眼50中。

综上所述，本实施例中，通过将所述显示像源10分成所述Micro-LED单色显示元件11以及Micro-LED双色显示元件12，并将所述合光元件20设置于所述Micro-LED单色显示元件11以及Micro-LED双色显示元件12的出光路径上，将所述Micro-LED单色显示元件11发出的单色光以及Micro-LED双色显示元件12的双色光合光形成全彩图像，相比于现有技术中在一片Micro-LED基板上设置红绿蓝三种Micro-LED芯片，占用较大的空间，本实施例通过合理设置所述Micro-LED单色显示元件11以及Micro-LED双色显示元件12与所述合光元件20的位置，在同一高分辨率下，所述Micro-LED单色显示元件11以及Micro-LED双色显示元件12可以占用更小的空间，从而解决高分率要求下所述显示像源20尺寸太大导致的AR投影组件100整体尺寸变大的问题。进一步地，通过将具有正焦距的第一透镜31、第三透镜33以及具有负焦距的第二透镜32设置在所述合光元件的出光路径上，且所述第一透镜31、第二透镜32、第三透镜33以及所述合光元件40依次排列设置，所述第一透镜31、第二透镜32、第三透镜33可以有效校正场曲、畸变、色散以及球差等像差，提升AR投影组件100的解析度，以及提升用户在一定视场下的角分辨率，从而提升用户视觉体验。

请参阅图2，进一步地，所述第一透镜31背离所述显示像源10的表面与所述显示像源10之间的距离D1为16-20mm。

在本实施例中，所述透镜组件30中，距离所述显示像源10最远的表面与所述显示像源10之间的距离D1为16-20mm，优选为18mm，此时，所述显示像源10最远的表面与所述显示像源10之间的距离非常小，因此，可以将所述显示像源10以及透镜组件30的整体尺寸做得非常小，同时还能保证所述AR投影组件100具有高解析度的投影图像。

请参阅图2，进一步地，所述第一透镜31背离所述显示像源10的表面与所述AR投影组件100的入瞳位置之间的距离D2为2-4mm。

在本实施例中，所述透镜组件30中，所述第一透镜31背离所述显示像源10的表面，也即，所述透镜组件30中距离所述显示像源10最远的表面，该表面与所述AR投影组件100的入瞳位置之间的距离D2，也即，该表面与所述光波导元件40之间的出瞳距离D2，该D2的范围取值可为2-4mm，优选为3mm，如此，可以将所述显示像源10、透镜组件30以及所述光波导元件40的整体尺寸做得非常小，同时，还能保证所述AR投影组件100具有高解析度的投影图像。

进一步地，所述第一透镜31、第二透镜32以及第三透镜33的面型包括球面、非球面和自由曲面中的任意一种，本实施例对此不做限制，在所述第一透镜31、第二透镜32以及第三透镜33的面型均为非球面时，满足：

其中，Z表示在光轴方向上非球面上的点与非球面顶点之间的距离；r表示非球面上的点与光轴的之间距离；c表示非球面的中心曲率；k表示圆锥率；a4、a6、a8、a10表示非球面高次项系数。

在本实施例中，在所述第一透镜31、第二透镜32以及第三透镜33的面型均为非球面时，在上述计算公式中增加a4、a6、a8、a10等非球面高次项系数，可以增加所述第一透镜31、第二透镜32以及第三透镜33的非球面面型设计时的自由度。

为实现上述目的，本发明还提供一种AR设备，所述AR设备包括如上任所述的AR投影组件100，所述AR设备还包括：壳体(图未示)，所述AR投影组件100设置于所述壳体中。

在本实施例中，所述AR投影组件100设置于所述壳体中，所述壳体上还开设有用于采集外部真实世界图像的窗口，采集到的外部真实世界图像与所述显示像源10发出的图像融合后形成增强现实图像进入人眼50中。由于所述AR设备包括所述AR投影组件100，因而，至少具有所述AR投影组件100的上述有益效果，在此不在赘述。所述AR设备还可以包括所述光波导元件40，所述光波导元件40可以设置于所述壳体上或者所述壳体内，所述光波导元件40用于接收所述透镜组件30出射的全彩图像，并将全彩图像的光线经过多次传导、改变光线的传播路径后投射到人眼50中。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种AR投影组件，其特征在于，所述AR投影组件包括：

显示像源，所述显示像源包括Micro-LED单色显示元件以及Micro-LED双色显示元件；

合光元件，所述合光元件设置于所述Micro-LED单色显示元件以及Micro-LED双色显示元件的出光路径上，所述合光元件用于将所述Micro-LED单色显示元件发出的单色光以及所述Micro-LED双色显示元件发出的双色光合光为全彩图像；

透镜组件，所述透镜组件包括在所述合光元件的出光路径上依次靠近所述合光元件设置的第一透镜、第二透镜以及第三透镜，所述第一透镜以及第三透镜具有正焦距，所述第二透镜具有负焦距。

2.如权利要求1所述的AR投影组件，其特征在于，所述第一透镜背离所述显示像源的表面与所述显示像源之间的距离为16-20mm。

3.如权利要求1所述的AR投影组件，其特征在于，所述第一透镜背离所述显示像源的表面与所述AR投影组件的入瞳位置之间的距离为2-4mm。

4.如权利要求1所述的AR投影组件，其特征在于，所述Micro-LED单色显示元件发出的单色光为红光、绿光以及蓝光中的一种，相应地，所述Micro-LED双色显示元件发出的双色光为绿蓝光、红蓝光以及红绿光中的一种。

5.如权利要求1所述的AR投影组件，其特征在于，所述合光元件具有半反半透性，所述合光元件反射所述单色光并透射所述双色光，或者所述合光元件透射所述单色光并反射所述双色光。

6.如权利要求1所述的AR投影组件，其特征在于，所述第一透镜的焦距为f1，所述第二透镜的焦距为f2，所述第三透镜的焦距为f3，且满足：2<f1<15，-10<f2<-1，2<f3<10；

所述第一透镜的阿贝数为v1，所述第二透镜的阿贝数为v2，所述第三透镜的阿贝数为v3，且满足：25<v1<70，10<v2<40，20<v3<65；

所述第一透镜的折射率为n1，所述第二透镜的折射率为n2，所述第三透镜的折射率为n3，且满足：1.5<n1<1.8，1.6<n2<1.8，1.6<n3<1.9。

7.如权利要求6所述的AR投影组件，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜以及第三透镜的面型包括球面、非球面和自由曲面中的任意一种。

8.如权利要求7所述的AR投影组件，其特征在于，在所述第一透镜、第二透镜以及第三透镜的面型均为非球面时，满足：

其中，Z表示在光轴方向非球面上的点与非球面顶点的距离；r表示非球面上的点与光轴的距离；c表示非球面的中心曲率；k表示圆锥率；a4、a6、a8、a10表示非球面高次项系数。

9.一种AR设备，其特征在于，所述AR设备包括如权利要求1-8任一项所述的AR投影组件，所述AR设备还包括：

壳体，所述AR投影组件设置于所述壳体中。

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