光学系统和穿戴式增强现实显示设备

技术领域

本申请涉及增强现实(AR，Augmented Reality)技术领域，尤其涉及一种光学系统和穿戴式增强现实显示设备。

背景技术

增强现实(AR，Augmented Reality)眼镜的原理是使计算机生成的图像叠加在用户的真实视觉上，使虚拟图像和真实图像无缝融合。如此，虚拟世界的数字影像和真实世界的物理对象结合，带给用户超越现实的感官体验。但是，增强现实眼镜中的杂光入射人眼，会影响用户的视觉体验。

发明内容

本申请实施例提供一种光学系统和穿戴式增强现实设备，光学系统可以抑制视场外的杂光，从而带给用户更好的感官体验。

本申请实施例提供一种光学系统，包括：

图像投射组件，发出图像光线；

第一光学组件，用于反射和透射所述图像投射组件发出的图像光线；

第二光学组件，用于反射所述第一光学组件反射过来的图像光线，和用于透射真实场景的光线；及

抑制杂光部件，设置于所述图像投射组件和所述第一光学组件之间，且靠近所述第二光学组件的有效反射面上方的位置，用于遮挡所述第一光学组件反射至所述第二光学组件的反射面上方中央区域的光和/或用于遮挡所述图像投射组件直接透射至所述第二光学组件反射面上方两侧区域的光从而减少视场外的杂光。

本申请实施例还提供一种穿戴式增强现实显示设备，包括卡箍件和上述任意一种光学系统，所述卡箍件和所述光学系统连接。

本申请实施例提供的光学系统中抑制杂光部件位于图像投射组件和第一光学组件之间，且靠近第二光学组件的有效反射面上方的位置，该抑制杂光部件用于遮挡第一光学组件反射至第二光学组件的反射面上方中央区域的光和/或用于遮挡图像投射组件直接透射至第二光学组件反射面上方两侧区域的光，从而减少视场外上方和下方的杂光，带给用户更好的感官体验。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。

为了更完整地理解本申请及其有益效果，下面将结合附图来进行以下说明，其中在下面的描述中相同的附图标号表示相同部分。

图1为本申请实施例提供的视场和视场外的区域的示意图。

图2为本申请实施例提供的光学系统的侧面结构示意图。

图3为图2中抑制杂光部件的第一种结构的侧面结构示意图。

图4为图2中第一种结构示意图时第一区域杂光的光路图。

图5为图2中第一种结构示意图时第二区域杂光的光路图。

图6为图2中抑制杂光部件的第二种结构的侧面结构示意图。

图7为本申请实施例提供的光学系统的第一种立体结构示意图。

图8为本申请实施例提供的光学系统的第二种立体结构示意图。

图9为本申请实施例提供的穿戴式增强现实显示设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请的保护范围。

在本文中提及“实施例”或“实施方式”意味着，结合实施例或实施方式描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

随着技术不断完善和需求的逐渐提高，目前增强现实头戴领域获得了越来越多的关注，相应而来的是众多光学解决方案的出现。增强现实(AR，Augmented Reality)眼镜的原理是使计算机生成的图像叠加在用户的真实视觉上，使虚拟图像和真实图像无缝融合。如此，虚拟世界的数字影像和真实世界的物理对象结合，带给用户超越现实的感官体验。

目前，头戴式增强现实的显示设备，例如AR眼镜，拥有较大视场的AR眼镜能够带来更好的感官体验，视场代表着人眼能够观察到的最大范围，通常以角度来表示，视场越大，则观测范围越大。但是相对大的视场也带来了成像质量下降的问题，也就是视场的周围会出现杂散光，尤其是视场外上方和视场外下方两侧的杂散光。在这里，为了便于说明，把人眼的视场外远离鼻子的一侧称为视场外上方，则，与视场外上方相对的一侧称为视场外下方，则人眼的视场外远离额头的一侧称为视场外下方。第二光学组件3的上方和下方的原理也相同，第二光学组件3的上方指的是第二光学组件3远离鼻子的那一端，第二光学组件3的下方指的是第二光学组件3远离额头的那一端。

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的视场和视场外的区域的示意图，图中中间没有填充的部分表示视场，而周围填充的部分表示视场外，视场外上方定义为第一区域，视场外下方定义为第二区域，图1中用椭圆形圈出了第一区域和第二区域，但是这个椭圆是为了便于指出第一区域和第二区域的位置而画的，并不是为了定义第一区域和第二区域的大小而画的，也不是为了限制第一区域和第二区域的大小而画的。可以理解的是，视场外上方的区域就是第一区域，视场外下方的区域就是第二区域，关于“视场外上方”和“视场外下方”的定义前文已经做了详细说明，这里并不赘述。这些视场外的光并不参与有效成像，这部分光还会影响到人眼从而产生视觉干扰，影响整体的视觉体验，因此这部分并不参与有效成像的光就称为杂光，或者称为杂散光。

请参阅图2，图2为本申请实施例提供的光学系统的侧面结构示意图，图中带箭头的实线是有效光的路径。本申请实施例提供一种光学系统，该光学系统可以包括图像投射组件1、第一光学组件2、第二光学组件3和抑制杂光部件4，其中，图像投射组件1可以发出图像光线，这些图像光线接着进入到第一光学组件2和/或第二光学组件3中；第一光学组件2用于反射和透射图像投射组件1发出的图像光线；第二光学组件3用于反射第一光学组件2反射过来的图像光线，和用于透射真实场景的光线；抑制杂光部件4设置于图像投射组件1和第一光学组件2之间，且靠近第二光学组件3有效反射面上方的位置，抑制杂光部件4用于遮挡第一光学组件2反射至第二光学组件3的反射面上方中央区域的光和/或用于遮挡图像投射组件1直接透射至第二光学组件3反射面上方两侧区域的光，从而减少视场外的杂光，具体的是减少视场外第一区域和第二区域的杂光，带给用户更好的感官体验。

请参阅图3，图3为图2中抑制杂光部件的第一种结构示意图。本申请实施例中，抑制杂光部件4可以包括固定部411、第一遮光部412和第二遮光部413，第一遮光部412的一端与固定部411的一端连接，第二遮光部413的一端与所述固定部411和第一遮光部412的相交处连接，所述第一遮光部412向远离图像投射组件1的方向延伸形成，第二遮光部413从固定部411中向远离第二光学组件3的方向延伸形成，固定部411设置在第二光学组件3的上端面，起到固定作用。第一遮光部412和第二遮光部413形成一定的夹角，这个夹角最好是直角，当然，也可以是钝角，第一遮光部412和第二遮光部413之间的角度的设置以其遮挡杂光的效率为标准，遮挡的杂光越多，则这个角度设置得越好。

可以理解的是，抑制杂光部件4是不透光的，而且其可以遮挡住光线。抑制杂光部件4可以用吸光材料制成，可以理解的是，物体因为其反射不同颜色的光而有不同的颜色，而黑色不反射任何光，所以他是黑色，由于黑色不反射任何光所以也可以理解成黑色把所以光都吸收了。在本申请实施例中，抑制杂光部件4可以用黑色的吸光材料制成，这样抑制杂光部件4可以拥有更好的减少视场外杂光的效果。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

请参阅图4，图4为图2中第一种结构示意图时第一区域杂光的光路图。其中实线和虚线共同形成的光路为无抑制杂光部件4时的杂光的路径图，实线为杂光被抑制杂光部件4遮挡时的杂光的路径图。第一遮光部412用于遮挡第一光学组件2反射至第二光学组件3的反射面上方中央区域的杂光，从而减少第一区域的杂光。具体的是，在没有使用抑制杂光部件4时，图像投射组件1发出的图像光线有一部分入射第一光学组件2后发生反射，反射的图像光线中的一部分图像光线入射到第二光学组件3上方中央区域，然后在反射回图像投射组件1中，在由图像投射组件1反射到第一光学组件2中在入射人眼，形成第一区域杂光。

在使用抑制杂光部件4后，第一光学组件2反射图像光线到第二光学组件3的上方的中央区域时，这部分图像光线就被抑制杂光部件4的第一遮光部412遮挡，也就是图4中实线箭头指向抑制杂光部件4后就这部分图像光线就被第一遮光部412遮挡住了，不会在像没有使用抑制杂光部件4时一样在反射到图像投射组件1上，从而减少第一区域的杂光。

请参阅图5，图5为图2中第一种结构示意图时第二区域杂光的光路图。其中实线和虚线共同形成的光路为无抑制杂光部件4时的杂光的路径图，实线为杂光被抑制杂光部件4遮挡时的杂光的路径图。第二遮光部413用于遮挡图像投射组件1直接透射至第二光学组件3的反射面上方两侧区域的杂光从而减少第二区域的杂光。具体的是，在没有使用抑制杂光部件4时，图像投射组件1发出的图像光线有一部分直接入射第二光学组件3的上方两侧区域，第二光学组件3的上方两侧区域在把这部分图像光线反射到第一光学组件2的下方两侧区域，第一光学组件2在把上述的图像光线在反射回第二光学组件3的下方两侧区域，接着这些图像光线在由第二光学组件3的下方两侧区域反射回第一光学组件2的下方两侧区域最后在入射人眼，形成第二区域两侧杂光。

在使用抑制杂光部件4后，图像投射组件1发出的部分图像光线将要入射到第二光学组件3的上方两侧区域时，这部分图像光线就被抑制杂光部件4的第二遮光部413遮挡，也就是图5中实线箭头指向抑制杂光部件4后就这部分图像光线就被第二遮光部413遮挡住了，不会在像没有使用抑制杂光部件4时一样在入射到第二光学组件3上，从而减少第二区域两侧区域的杂光。

请参阅图6，图6为图2中抑制杂光部件的第二种结构示意图。本申请一个可选的实施例是，抑制杂光部件4可以包括固定部411、第一遮光部412和第二遮光部413，第二遮光部413的一端与固定部411的一端连接，所述第二遮光部413向远离第二光学组件3的方向延伸形成，第一遮光部412的一端与第二遮光部413的另一端连接，所述第一遮光部412向远离图像投射组件1的方向延伸形成，固定部411设置在第二光学组件3的上端面，起到固定作用。第一遮光部412和第二遮光部413形成一定的夹角，这个夹角最好是小于180度的钝角，当然，也可以是直角，第一遮光部412和第二遮光部413的角度的设置以其遮挡杂光的效率为标准，遮挡的杂光越多，则这个角度设置得越好。

可以理解的是，第二种结构的抑制杂光部件4的原理和上述第一种结构的抑制杂光部件4的原理一样。第一遮光部412用于遮挡第一光学组件2反射至第二光学组件3的反射面上方中央区域的杂光从而减少第一区域的杂光；第二遮光部413用于遮挡图像投射组件1直接透射至第二光学组件3的反射面上方两侧区域的杂光从而减少第二区域的杂光。

请参阅图7，图7为本申请实施例提供的光学系统的第一种立体结构示意图。其中虚线为杂光路径，实线为有效光路径。本申请一个可选的实施例是，抑制杂光部件4可以包括固定部411和第一遮光部412，如图7所示，第一遮光部412的一端与固定部411的一端连接，第一遮光部412向远离图像投射组件1的方向延伸形成，固定部411设置在第二光学组件3的上端面，起到固定作用。第一遮光部412用于遮挡第一光学组件2反射至第二光学组件3的反射面上方中央区域的杂光从而减少第一区域的杂光。具体的是，图像投射组件1发出的图像光线有一部分入射第一光学组件2后发生反射，第一光学组件2反射图像光线到第二光学组件3的上方的中央区域时，这部分图像光线就被抑制杂光部件4的第一遮光部412遮挡，也就是图6中虚线箭头指向抑制杂光部件4后这部分图像光线就被第一遮光部412遮挡住了，从而减少第一区域的杂光。

第一遮光部412的尺寸可以根据光学系统中杂光的路径进行设置，例如，第一遮光部412向远离图像投射组件1的方向延伸的长度可以为2mm左右，宽度可以为16mm左右，这个宽度指的是第一遮光部412在第二光学组件3的有效反射面上延伸的那个面的宽度，所述第一遮光部412的长度和宽度围成的面就是第一遮光部412用来遮挡杂光的面。本申请实施例提供的抑制杂光部件4的结构和尺寸仅为举例说明，并不构成对本申请实施例抑制杂光部件4的结构和尺寸的限制，实际应用中抑制杂光部件4的结构可以为图7中的结构，但是结构不唯一，尺寸亦不唯一。

请参阅图8，图8为本申请实施例提供的光学系统的第二种立体结构示意图。其中虚线为杂光路径，实线为有效光路径。本申请一个可选的实施例是，抑制杂光部件4可以包括固定部411和第二遮光部413，如图8所示，第二遮光部413的一端与固定部412的一端连接，所述第二遮光部413向远离第二光学组件3的方向延伸形成，固定部411设置在第二光学组件3的上端面，起到固定作用。第二遮光部413用于遮挡图像投射组件1直接透射至第二光学组件3的反射面上方两侧区域的杂光从而减少第二区域的杂光。具体的是，图像投射组件1发出的部分图像光线将要入射到第二光学组件3的上方两侧区域时，这部分图像光线就被抑制杂光部件4的第二遮光部413遮挡，也就是图7中虚线箭头指向抑制杂光部件4后这部分图像光线就被第二遮光部413遮挡住了，从而减少第二区域中两侧的杂光。

可以理解的是，第二遮光部413的尺寸可以根据光学系统中杂光的路径进行设置，例如，第二遮光部413向远离第二光学组件3的方向延伸的长度可以为1.6mm左右，宽度可以为26mm左右，所述第二遮光部413的长度和宽度围成的面就是第二遮光部413用来遮挡杂光的面。本申请实施例提供的抑制杂光部件4的结构和尺寸仅为举例说明，并不构成对本申请实施例抑制杂光部件4的结构和尺寸的限制，实际应用中抑制杂光部件4的结构可以为图8中的结构，但是结构不唯一，尺寸亦不唯一。

可以理解的是，抑制杂光部件4可以直接设置在第二光学组件3的上端面，也就是说可以直接承靠在第二光学组件3的上端面上，当然，抑制杂光部件4也可以固定在光学系统的其他部件上面并间隔设置在第二光学组件3的上端面。

本申请一个可选的实施例为，图像投射组件1是用来发出图像光线的，图像投射组件1可以包括像源11和透镜12，像源11设置在远离第一光学组件2的一侧，透镜12设置在像源11和第一光学组件2之间，像源11发出的光经过透镜12后进入到第一光学组件2和/或第二光学组件3中。

可以理解的是，像源11的作用是显示需要投射到人眼中的图像，像源11可以是微显示器。像源11可以采用平面像源，包括但不限于集成光源的像源或单一像源。例如，OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)、LCOS(Liquid Crystal On Silicon，硅基液晶)、LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、MEMS(Micro ElectromeChanical Systems，微机电显示系统)、DMD(Digital Micro-mirror Device，数字微镜元件)等显示原理的电子器件。其中，OLED和LCD为集成光源的像源，LCOS、MEMS和DMD为单一像源，需要说明的是，单一像源还需要另外增加光源以作为单一像源的辅助光源。可以理解的是，本申请实施例提供的像源11的种类仅为举例说明，并不构成对本申请实施例像源11种类的限制。

当微显示器为Micro-OLED或Micro-LED出射无偏光光源时，可以在微显示器与成像镜头组之间放置偏振转换元件，偏振转换元件将无偏光转换为与后续光路匹配的特定方向线偏振光或圆偏振光。当微显示器为LCD等偏振光时，需要确定偏振方向，并在后续光路中进行偏振匹配。

可以理解的是，透镜12的作用是对微显示器出射的光进行调制，承担整个成像光路中的一部分光焦度，并校正系统中的像差。透镜12可以是成像镜头组，成像镜头组可以包括至少一片镜片，镜片可以是塑料镜片或玻璃镜片，其表面面型可以是球面或非球面。一般情况下，成像镜头组与微显示器之间存在空气间隙。特殊情况下，成像镜头组靠近微显示器的表面可以直接胶合在微显示器的表面或胶合在微显示器后置偏振膜系表面。

第一光学组件2的作用是实现光路的反射、透射复用。本申请一个可选的实施例为，第一光学组件2可以是复合平板，复合平板可以包含多种组合方案，当系统使用非偏振光时，复合平板可以是部分透射部分反射的平板。当系统使用偏振光时，复合平板可以包括1/4波片、偏振分光膜21、偏振片22和基片23。其中，基片23位于靠近人眼的位置，偏振片22贴合于基片23远离人眼的一端，偏振分光膜21贴合于偏振片22远离人眼的一端。1/4波片可以贴合于偏振分光膜21远离人眼的一端；或1/4波片可以位于第一光学组件2和第二光学组件3之间；或1/4波片可以贴附于第二光学组件3上且靠近第一光学组件2的一面。

可以理解的是，基片23可以是塑料基板或者是玻璃基板，可以理解的是，本申请实施例提供的基片23的材质仅为举例说明，并不构成对本申请实施例基片23材质的限制。

第二光学组件3的作用是一方面反射虚拟图像的有效光，一方面透射真实场景的光线，优先的该部分透射部分反射通过镀膜方式实现且透过反射均为无偏振特性，即无论光线偏振特性如何，均可以按设计比例进行透射和反射。本申请一个可选的实施例为，第二光学组件3的面型可以是球面、非球面或自由曲面等。材料可以是玻璃或者塑料。可以理解的是，第二光学组件3与抑制杂光部件4直接接触，且与其承靠面相互承靠。当1/4波片独立于第一光学组件2存在时，1/4波片可以贴附于第二光学组件3上靠近第一光学组件2的一面。

本申请实施例提供的光学系统还包括面罩5，请再次参阅图2，所述面罩5位于所述第二光学组件3远离所述第一光学组件2的一侧，面罩5的主要作用是保护第二光学组件3，同时面罩5还可以实现内外部杂光的抑制，和/或实现与隐私相关的光线抑制，其组成可以包括四分之一波片、偏振片和基板。基板可以是塑料基板或玻璃基板，基板的材质优先使用塑料材质，基板的面型可以是球面、非球面或自由曲面等。可以理解的是，本申请实施例提供的基板的材质和面型仅为举例说明，并不构成对本申请实施例基板的材质和面型的限制。

本申请实施例还提供一种穿戴式增强现实显示设备，请参阅图9，图9为本申请实施例提供的穿戴式增强现实显示设备的结构示意图。该穿戴式增强现实显示设备6还包括卡箍件61和上述实施例提供的任意一种光学系统，卡箍件61和光学系统连接，卡箍件61用于固定在穿戴者身上，方便穿戴。

该穿戴式增强现实显示设备6可以是但不限于AR眼镜、AR头盔或AR面罩。当穿戴式增强现实显示设备6为AR眼镜时，就如图9所示，卡箍件61为镜框，光学系统则安装在镜框上，相当于两个镜片的位置。当穿戴式增强现实显示设备6为AR头盔时，卡箍件可以是头盔壳体，光学系统安装于头盔壳体前侧的面窗部。

以上对本申请实施例所提供的光学系统和穿戴式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申请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申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。