CN114280795A - 一种增强现实显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强现实显示设备,波导包括耦出区和至少两个耦入区,耦入区用于使与自身对应的光机出射的光线进入波导,耦出区用于使来自耦入区的光线至少部分耦合到波导之外;其中,各个光机的出射光线的视场角可组合成预设视场角,使得由耦出区耦合到波导之外的光线视场角达到预设视场角,因此对于每一光机可以减小视场角,可以避免图像亮度降低。从而本发明的增强现实显示设备,输出图像光线的视场角可以达到要求,并且可以避免图像亮度降低。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实显示技术领域,特别是涉及一种增强现实显示设备。
背景技术
目前,增强现实显示设备的发展趋势包括全覆盖视场角、高亮度以及全彩显示。增强现实显示设备达到全覆盖视场角是指显示设备投射出的光线能够覆盖人眼的可视视场范围,人眼的可视视场范围大约为40°*80°,即竖直视场范围为±20°,水平视场范围为±40°。
现有技术中,为了实现增强现实显示设备能够覆盖如此大的视场范围,需要设置显示设备使用的光机具有较大的视场角,但这样会导致图像亮度下降,不能满足应用要求,比如不能达到户外使用的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种增强现实显示设备,输出图像光线的视场角可以达到要求,并且可以避免图像亮度降低。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种增强现实显示设备,包括波导和至少两个光机,所述波导包括耦出区和至少两个耦入区,所述耦入区用于使与自身对应的所述光机出射的光线进入所述波导,所述耦出区用于使来自所述耦入区的光线至少部分耦合到所述波导之外,各个所述光机的出射光线的视场角可组合成预设视场角,使得由所述耦出区耦合到所述波导之外的光线视场角达到所述预设视场角。
优选的,各个所述光机的出射光线入射到与自身对应的所述耦入区的入射角度一致。
优选的,至少两个光机包括第一光机和第二光机,所述第一光机出射光线的水平/垂直视场角为-α1度~0度,所述第二光机出射光线的水平/垂直视场角为0度~α2度。
优选的,所述第一光机的镜头光轴相对于所述第一光机的图像源中心向右偏置,所述第二光机的镜头光轴相对于所述第二光机的图像源中心向左偏置。
优选的,所述第一光机对应的所述耦入区和所述第二光机对应的所述耦入区,关于所述耦出区的中线轴对称布置。
优选的,所述第一光机对应的所述耦入区和所述第二光机对应的所述耦入区在所述波导上的投影位置分别位于所述耦出区在所述波导上的投影位置的两侧,或者,所述第一光机对应的所述耦入区和所述第二光机对应的所述耦入区在所述波导上的投影位置位于所述耦出区在所述波导上的投影位置的同一侧。
优选的,至少两个光机包括第一光机、第二光机和第三光机,所述第一光机出射光线的水平/垂直视场角为-α3度~-α4度,所述第三光机出射光线的水平/垂直视场角为-α4度~α5度,所述第二光机出射光线的水平/垂直视场角为α5度~α6度。
优选的,至少两个所述光机对应同一所述耦入区;
还包括反射元件,所述反射元件用于切换至至少两个不同的角度,所述反射元件处于任一角度时将与本角度对应的所述光机的出射光线反射到所述耦入区。
优选的,各个所述光机的光轴与所述波导的竖直方向平行。
优选的,所述光机的光轴与所述波导平面平行。
由上述技术方案可知,本发明所提供的一种增强现实显示设备包括波导和至少两个光机,波导包括耦出区和至少两个耦入区,耦入区用于使与自身对应的光机出射的光线进入波导,耦出区用于使来自耦入区的光线至少部分耦合到波导之外。其中,各个光机的出射光线的视场角可组合成预设视场角,使得由耦出区耦合到波导之外的光线视场角达到预设视场角,因此对于每一光机可以减小视场角,可以避免图像亮度降低。从而本发明的增强现实显示设备,输出图像光线的视场角可以达到要求,并且可以避免图像亮度降低。
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获得其他的附图。
图1为本发明一实施例中光机投射出光线的示意图;
图2为本发明又一实施例中光机投射出光线的示意图;
图3为本发明一实施例提供的一种增强现实显示设备的示意图;
图4为图3所示波导的俯视图;
图5为本发明又一实施例提供的一种增强现实显示设备的波导的示意图;
图6为本发明又一实施例提供的一种增强现实显示设备的侧视图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案,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,都应当属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种增强现实显示设备,包括波导和至少两个光机,所述波导包括耦出区和至少两个耦入区,所述耦入区用于使与自身对应的所述光机出射的光线进入所述波导,所述耦出区用于使来自所述耦入区的光线至少部分耦合到所述波导之外,各个所述光机的出射光线的视场角可组合成预设视场角,使得由所述耦出区耦合到所述波导之外的光线视场角达到所述预设视场角。
所述的波导是能够引导光线传播的波导结构。光机与波导的耦入区对应,耦入区使与自身对应的光机出射的光线进入波导。沿着波导传播的光线到达耦出区时,至少部分光线通过耦出区向波导之外发射出。光线进入人眼,使人眼能够看到图像。
各个光机的出射光线进入波导,并通过耦出区向波导之外耦合出光线,各个光机对应耦合出的光线汇合形成本增强现实显示设备输出的光线。各个光机的出射光线的视场角可组合成预设视场角,使得由耦出区耦合到波导之外的光线视场角能够达到预设视场角。因此对于每一光机可以减小视场角,可以避免图像亮度降低。从而本实施例的增强现实显示设备,输出图像光线的视场角可以达到要求,并且可以避免图像亮度降低。
各个光机的出射光线的视场角可组合成预设视场角,各个光机对应耦合出的光线汇合形成本增强现实显示设备输出的光线,本增强现实显示设备输出的光线对应形成的图像是各个光机投射出光线对应的图像汇合形成的图像。
优选的,各个光机的出射光线入射到与自身对应的所述耦入区的入射角度一致,使得各个光机对应的光线进入波导后在波导内传播形式相同,比如使得各个光机对应的光线耦合入波导的角度相同,在波导内进行全反射传播的角度相同。相应使得由耦出区耦合到波导之外的光线视场角可以达到预设视场角。
本实施例中,对波导包含的耦入区数量以及光机的数量不做限定,在实际应用中可以根据对显示设备输出图像的要求比如输出图像的视场角、亮度等,以及设备功耗、***结构等进行设置。本实施例中,对每一光机的出射光线的视场角大小不做限定,只要各个光机的出射光线的视场角可组合成预设视场角即可。
可选的,作为一种实施方式,至少两个光机可包括第一光机和第二光机,所述第一光机出射光线的水平/垂直视场角为-α1度~0度,所述第二光机出射光线的水平/垂直视场角为0度~α2度。那么,第一光机出射光线和第二光机出射光线可组合形成水平/垂直视场角-α1度~α2度。其中,α1、α2分别为正数。定义光机的出射光线偏向于光机光轴的左侧,出射光线的角度为负;光机的出射光线偏向于光机光轴的右侧,出射光线的角度为正。
可选的,第一光机的镜头光轴相对于第一光机的图像源中心向右偏置,使得第一光机的出射光线位于第一光机光轴的左侧。可参考图1,图1为一实施例中光机投射出光线的示意图,如图所示,光机的镜头300的光轴L相对于光机的图像源301中心向右偏置,使得光机投射的光线位于自身光轴的左侧区域。
可选的,第二光机的镜头光轴相对于所述第二光机的图像源中心向左偏置,使得第二光机的出射光线位于第二光机光轴的右侧。可参考图2,图2为又一实施例中光机投射出光线的示意图,如图所示,光机的镜头300的光轴L相对于光机的图像源301中心向左偏置,使得光机投射出的光线位于自身光轴的右侧区域。
可选的,作为一种实施方式,至少两个光机可包括第一光机、第二光机和第三光机,所述第一光机出射光线的水平/垂直视场角为-α3度~-α4度,所述第三光机出射光线的水平/垂直视场角为-α4度~α5度,所述第二光机出射光线的水平/垂直视场角为α5度~α6度。那么,第一光机出射光线、第二光机出射光线和第三光机出射光线可组合形成水平/垂直视场角-α3度~α6度。其中,α3、α4、α5和α6分别为正数,α3>α4,α5<α6。
对于光机投射出光线的视场范围偏向于光机光轴一侧的情况,需要通过将光机的镜头光轴相对于图像源的中心偏置来实现。对于光机的光轴位于光机投射出光线的视场范围内的情况,不必须要设置光机的镜头光轴相对于图像源的中心偏置,比如上述实施方式中的第三光机,不必须要设置第三光机的镜头光轴相对于其图像源的中心偏置。
本实施例中,对各个光机的镜头焦距大小、图像源大小不做具体限定,但是,由于各个光机对应耦合出的光线汇合形成本增强现实显示设备输出的光线,本增强现实显示设备输出的光线对应形成的图像是各个光机投射出光线对应图像汇合形成的图像,因此为了使得本增强现实显示设备输出的光线对应形成的图像满足图像要求,比如形成的图像不存在重叠或者相邻两部分图像的间距不会过大,需要对各个光机的镜头焦距大小、图像源大小、视场角相结合设计。优选的,可以设置各个光机的镜头焦距相等或/和各个光机的图像源大小一致,这样更容易实现各个光机投射出光线的组合。本实施例中,图像源可以是但不限于LCOS芯片。
优选的,各个耦入区在波导上可以均匀布置,这样来自各个耦入区的光线沿着波导传播,分别到达耦出区时向波导外耦合出光线,有助于使得耦出区各个区域出射的光线能量均匀,使得输出的图像亮度均匀。
请参考图3,图3为一实施例提供的一种增强现实显示设备的示意图,其中是以包括两个光机为例进行说明的。如图所示,所述增强现实显示设备包括波导200、第一光机201和第二光机202,波导200包括第一耦入区203、第二耦入区204和耦出区205,第一耦入区203使第一光机201出射的光线进入波导200,第二耦入区204使第二光机202出射的光线进入波导200。耦出区205使来自各个耦入区的光线至少部分耦合到波导200之外。第一光机201出射光线的视场角和第二光机202出射光线的视场角组合成预设视场角。
本实施例中,对第一耦入区203和第二耦入区204在波导200上的布置位置不做限定。优选的,第一耦入区203和第二耦入区204可以关于耦出区205的中线轴对称布置,这样有助于使得由耦出区205各个区域出射的光线能量均匀,使得输出的图像亮度均匀。
可选的,所述第一光机对应的所述耦入区和所述第二光机对应的所述耦入区在波导上的投影位置分别位于所述耦出区在波导上的投影位置的两侧,即第一耦入区和第二耦入区在波导上的投影位置可以分别位于耦出区在波导上的投影位置的两侧,比如分别位于耦出区在波导上投影位置的左右两侧或者上下两侧。可结合参考图3和图4所示,图4为图3所示波导的俯视图,第一耦入区203和第二耦入区204在波导200上的投影位置分别位于耦出区205在波导200上投影位置的左侧和右侧,并且第一耦入区203和第二耦入区204的位置对称。
可选的,所述第一光机对应的所述耦入区和所述第二光机对应的所述耦入区在所述波导上的投影位置位于所述耦出区在所述波导上的投影位置的同一侧,即第一耦入区和第二耦入区在波导上的投影位置可以位于耦出区在波导上的投影位置的同一侧,比如都位于耦出区在波导上投影位置的左侧或者右侧,或者都位于耦出区在波导上投影位置的上侧或者下侧。可参考图5所示,图5为又一实施例提供的增强现实显示设备的波导的示意图,如图所示第一耦入区206和第二耦入区207在波导200上的投影位置都位于耦出区205长边的同一侧,并且第一耦入区206和第二耦入区207的位置对称。
可选的作为一种实施方式,所述增强现实显示设备中,至少两个所述光机对应同一所述耦入区;还包括反射元件,所述反射元件用于切换至至少两个不同的角度,所述反射元件处于任一角度时将与本角度对应的所述光机的出射光线反射到所述耦入区。反射元件在不同的时刻切换至不同的角度,反射元件处于任一角度时,与本角度对应的光机的出射光线入射到反射元件,反射元件将光线反射至耦入区,进入波导并通过耦出区时使至少部分光线耦合到波导之外。在不同时刻分别由耦出区耦合出不同光机对应的光线,可以设置反射元件切换角度的周期小于人眼视觉的反应时间,这样人眼观看到的图像是各个光机投射出的光线组合成的图像。
在实际应用中,可以同步地控制反射元件切换角度以及控制各个光机启动,当反射元件转动到任一角度时,同时控制本角度对应的光机投射出光线。
可参考图6,图6为又一实施例提供的一种增强现实显示设备的示意图,其中是以包括第一光机和第二光机为例说明的。如图所示,第一光机201和第二光机202对应同一耦入区208。反射元件209可切换至不同的角度,当反射元件209处于第一角度时,第一光机201的出射光线入射到反射元件209,反射元件209将光线反射至耦入区208而进入波导200;当反射元件209处于第二角度时,第一光机202的出射光线入射到反射元件209,反射元件209将光线反射至耦入区208而进入波导200。
优选的,可设置各个光机的光轴与波导平面平行,这样设置可以使得设备结构紧凑。
优选的,各个光机的光轴与波导的竖直方向平行,可以将耦入区以及对应的光机设置在波导一端,比如设置在波导对应用户眼睛外侧的位置,这样光机在竖直方向上尺寸较大,设置在波导对应用户眼睛外侧的位置,不会导致增强现实显示设备整机过大,保证了设备整机的轻便性与佩戴舒适性。
本实施例的增强现实显示设备可以应用于增强现实显示眼镜。在一具体实例中,包括第一光机和第二光机,第一光机的出射光线由耦出区耦合出,能够达到水平视场角为-40°~0°,竖直视场角为-20°~20°;第二光机的出射光线由耦出区耦合出,能够达到水平视场角为0°~40°,竖直视场角为-20°~20°。从而由波导输出水平方向-40°~40°、竖直方向-20°~20°的画面,达到了40°*80°的视场范围。
若本实施例的增强现实显示设备应用于双目设备,在以上各实施方式中是以其中一个镜片为例说明的,对于双目设备,其包括两个波导,对于每一波导会设置对应的光机。
以上对本发明所提供的一种增强现实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。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种增强现实显示设备,其特征在于,包括波导和至少两个光机,所述波导包括耦出区和至少两个耦入区,所述耦入区用于使与自身对应的所述光机出射的光线进入所述波导,所述耦出区用于使来自所述耦入区的光线至少部分耦合到所述波导之外,各个所述光机的出射光线的视场角可组合成预设视场角,使得由所述耦出区耦合到所述波导之外的光线视场角达到所述预设视场角。
2.根据权利要求1所述的增强现实显示设备,其特征在于,各个所述光机的出射光线入射到与自身对应的所述耦入区的入射角度一致。
3.根据权利要求1所述的增强现实显示设备,其特征在于,至少两个光机包括第一光机和第二光机,所述第一光机出射光线的水平/垂直视场角为-α1度~0度,所述第二光机出射光线的水平/垂直视场角为0度~α2度。
4.根据权利要求3所述的增强现实显示设备,其特征在于,所述第一光机的镜头光轴相对于所述第一光机的图像源中心向右偏置,所述第二光机的镜头光轴相对于所述第二光机的图像源中心向左偏置。
5.根据权利要求3所述的增强现实显示设备,其特征在于,所述第一光机对应的所述耦入区和所述第二光机对应的所述耦入区,关于所述耦出区的中线轴对称布置。
6.根据权利要求3所述的增强现实显示设备,其特征在于,所述第一光机对应的所述耦入区和所述第二光机对应的所述耦入区在所述波导上的投影位置分别位于所述耦出区在所述波导上的投影位置的两侧,或者,所述第一光机对应的所述耦入区和所述第二光机对应的所述耦入区在所述波导上的投影位置位于所述耦出区在所述波导上的投影位置的同一侧。
7.根据权利要求1所述的增强现实显示设备,其特征在于,至少两个光机包括第一光机、第二光机和第三光机,所述第一光机出射光线的水平/垂直视场角为-α3度~-α4度,所述第三光机出射光线的水平/垂直视场角为-α4度~α5度,所述第二光机出射光线的水平/垂直视场角为α5度~α6度。
8.根据权利要求1-4或者7任一项所述的增强现实显示设备,其特征在于,至少两个所述光机对应同一所述耦入区;
还包括反射元件,所述反射元件用于切换至至少两个不同的角度,所述反射元件处于任一角度时将与本角度对应的所述光机的出射光线反射到所述耦入区。
9.根据权利要求8所述的增强现实显示设备,其特征在于,各个所述光机的光轴与所述波导的竖直方向平行。
10.根据权利要求8所述的增强现实显示设备,其特征在于,所述光机的光轴与所述波导平面平行。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20221124 Address after: 261031 workshop 1, phase III, Geer Photoelectric Industrial Park, 3999 Huixian Road, Yongchun community, Qingchi street, Weifang High tech Zone, Weifang City, Shandong Province Applicant after: GoerTek Optical Technology Co.,Ltd. Address before: 261031 No.268, Dongfang Road, Weifang High tech Industrial Development Zone, Weifang City, Shandong Province Applicant before: GOERTEK Inc. |
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TA01 | Transfer of patent application right | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220405 |
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