一种AR显示设备制造技术

一种AR显示设备，涉及AR显示技术领域，尤其涉及头戴AR显示技术和具有超大可视角的拼接式头戴显示设备。本实用新型专利技术公开了一种AR显示设备，包括至少两个微型显示/投影器、至少一个主透镜以及至少两个自由曲面透镜，所述第一所述微型显示/投影器、第一所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第一视场与第二所述微型显示/投影器、第二所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第二视场，拼接组成拼接视场。

【技术实现步骤摘要】
一种AR显示设备
本技术涉及AR增强现实显示
，尤其涉及头戴AR显示技术和具有超大可视角的拼接式显示设备。
技术介绍
一个典型的头戴显示设备由微型显示器和光学系统组成，由微型显示器产生的图像经过光学系统的放大后，供用户观察。头戴显示设备中的光学系统为目视光学系统，其在设计过程中必须考虑人眼的实际需求。光学系统的出瞳位置必须与人眼瞳孔位置重合，所以头戴显示设备设计时，主要考虑的参数为出瞳直径(D)、视场角(Fov)和焦距(f)。在头戴显示设备中，为了避免人眼转动使瞳孔与光学系统出瞳值两者失配过多，造成穿戴头戴显示设备的用户晕眩或像面丢失，光学系统的出瞳直径设计值比人眼瞳孔直径大很多，一般穿透式头戴显示器的光学系统出瞳直径的设计值为10—15mm。再者，光学系统的视场角决定了用户对观察图像的沉浸感，较大的视场有较好的用户沉浸感。最后，为了实现头戴显示器的轻便化与小型化，光学系统的焦距设计值必须控制在一定范围内，以保证结构的聚积性。在头戴显示设备中，微型显示器的分辨率R’与光学系统分辨率R存在如式所述的数学关系：R＝R’/Fov从上式可以看出，对于头戴显示设备中已经确定分辨率的微型显示器，光学系统的分辨率和视场大小式成反比的，增大光学系统的视场角必然会引起光学系统分辨率的降低。另外，增大视场还会引起光学系统的体积过大，无法实现头戴显示设备的轻便小型化。为了保证光学系统的分辨率，并同时增大视场角，一种如现有技术(参见程德文，王涌天，华宏。宽视场高分辨率拼接式头盔显示设备，CN102782562A，2012)公开一种利用多块楔形棱镜进行视场拼接的头盔显示设备视场拼接技术被提出，此视场拼接技术通过将微型显示器的图像分为两部分，并采用双信道或多信道光学系统进行显示，不影响出瞳直径D和焦距f的情况下，以增大光学系统的视场角，可同时实现光学系统的高分辨率和大视场。但是，该拼接技术实现的头戴显示器的不足之处在于：其一，采用多棱镜拼接或透镜数组拼接的方法实现多信道显示，只是将单信道的视场进行几何迭加形成多通道，在增大视场的同时引起光学系统尺寸的增大，无法实现头戴显示设备的小型化和轻量化；其二，采用的多个透镜采用的楔形棱镜包括三个自由曲面的边，所以每个棱镜组成透镜数组时，加工困难，所以增加了加工装配难度，且使用棱镜还有两个镜片的不对称问题、材料挑选问题、制造时的注塑缩水问题、热膨胀问题，胶合问题，以及实心材料构成重量大体积大的问题等等；其三，视场拼接技术是采用多个透镜对于微型显示器图像进行多次折射和反射才被使用者所观察到，但多次的折射和反射降低了光能利用率；其四，楔形棱镜对于外部实际光线的多次折射，会造成多色散、色差等等的像变问题，引起用户观察外部真实世界的失真。
技术实现思路
本技术在于提供一种通过多个自由透镜(结合对应数量的微显示/投影器的投影)进行位置结构匹配，然后通过主透镜造成视场拼接的视觉效果来扩大可视范围，包括扩大垂直可视角度和水平可视角度。本技术是通过以下技术方案实现的：本技术提供一种基于AR增强现实技术的头戴显示设备，包括至少两个微型显示/投影器、至少一个主透镜以及至少两个自由曲面透镜，所述第一所述微型显示/投影器、第一所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第一视场与第二所述微型显示/投影器、第二所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第二视场，拼接组成拼接视场。单眼模式，不限定于人用头戴显示器，即人用单侧头显必须是偏左侧或右侧，供人眼观察使用。单眼模式还有一种情形是主体机构在中间位置，方便给摄像头等图影获取设备使用。进一步，所述的AR显示设备，第一所述自由曲面透镜与第二所述自由曲面透镜以所述主透镜的光轴为轴，上下对称或者左右对称进行排布。再进一步，所述的AR显示设备，所述自由曲面透镜的数量为2、4、6或者8个，所述微型显示/投影器为与所述自由曲面透镜的数量对应的2、4、6或者8个，2、4、6或者8个所述自由曲面透镜以所述主透镜的光轴为轴进行轴对称排布，所述微型显示/投影器与对应的所述自由曲面透镜形成影像投射关系。进一步，即从单眼模式过渡到双眼模式的AR显示设备，所述主透镜的数量为2个，所述自由曲面透镜的数量与所述微型显示/投影器的数量均为所述主透镜数量的2倍。进一步，所述的AR显示设备，部分所述主透镜、所述自由曲面透镜和所述微型显示/投影器围布形成一个类三角形状，面朝向所述类三角形状的所述主透镜和/或所述自由曲面透镜的一侧表面镀有半反半透膜。再进一步，所述主透镜和/或所述自由曲面透镜的二侧表面，均镀有半反半透膜。再进一步，所述的AR显示设备，所述半反半透膜是介质膜、氧化膜、金属膜、氧化金属膜或者合成膜中的一种或几种。再进一步，所述的AR显示设备，所述半反半透膜的反射率为20～70％。进一步，所述的AR显示设备，均匀厚度的主透镜的2侧表面满足如下：其中，c＝1/r0，r0为自由曲面基准面的曲率半径，k为二次曲面系数，r为入射光线的径向坐标，ai为高阶系数，为泽尼克多项式，N为泽尼克多项式的总数，Ai为第i项泽尼克多项式的系数，ρ为归一化的半径坐标，为归一化的角度坐标。再进一步，所述的拼接式AR显示设备，均匀厚度的第一或者第二所述自由曲面透镜的2侧表面应满足条件方程：其中，代数Y、Z分别表示某个点在本技术之卡式坐标系下的坐标值，b是所述微型显示/投影器发射出所述第一光线的发射点，b2为所述第一光线在所述主透镜的第二表面反射时的交点，b1为所述第一光线在(第一/第二)所述自由曲面透镜的表面反射时的交点；b3为所述第一光线在(第一/第二)所述自由曲面透镜的表面折射时的交点；a是所述微型显示/投影器发射出所述第二光线的发射点，a2为所述第二光线在所述主透镜的第二表面反射时的交点，a1为所述第二光线在(第一/第二)所述由曲面透镜的表面反射时的交点；a3为所述第二光线在(第一/第二)所述由曲面透镜的表面折射时的交点。再进一步，第一或者第二所述自由曲面透镜与所述主透镜的光轴的夹角(夹角α/夹角β)，会影响所述微型显示/投影器投射出的光线与所述主透镜的第二表面形成的夹角θ，微型显示器所有发射出的光线，对应于在主透镜上的第二表面的入射角θ，所述夹角θ的范围应满足如下条件方程，例如图5中的θmi1与θmi2要在一定的角度范围内，才会在主透镜上的第二表面上发生全反射：其中n’代表主透镜(第一镜片或第二镜片)的折射率。进一步，所述的AR显示设备，所述主透镜和/或所述自由曲面透镜的材料是玻璃、氧化玻璃或者高分子材料。进一步，所述的AR显示设备，所述高分子材料包括聚碳酸酯、甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或者尼龙。进一步，所述的AR显示设备，所述主透镜与所述自由曲面透镜的连接方式是胶合、粘结、机械固连，或者所述主透镜与所述自由曲面透镜一体成型被制造。进一步，所述的AR显示设备，包括AR(头戴)一体机、数码玻璃镜子、数码玻璃桌子、显示器、智能移动设备(智能手机或PAD)或者可连接智能移动设备(智能手机)的AR头盔等。另外，显示设备包括(微型)显示器或者(微型)投影器。本技术至少具有以下有益效果之一：1.本技术克服了原先多棱镜拼接或透镜数组拼接的头戴显示器，非常笨重不轻巧的问题，佩戴者戴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种AR显示设备，包括至少两个微型显示/投影器、至少一个主透镜以及至少两个自由曲面透镜，其特征在于，第一所述微型显示/投影器、第一所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第一视场与第二所述微型显示/投影器、第二所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第二视场，拼接组成拼接视场。

【技术特征摘要】
2018.01.16 CN 2018100418330;2018.01.16 CN 201820061.一种AR显示设备，包括至少两个微型显示/投影器、至少一个主透镜以及至少两个自由曲面透镜，其特征在于，第一所述微型显示/投影器、第一所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第一视场与第二所述微型显示/投影器、第二所述自由曲面透镜以及所述主透镜构成的第二视场，拼接组成拼接视场。2.如权利要求1所述的AR显示设备，其特征在于，第一所述自由曲面透镜与第二所述自由曲面透镜以所述主透镜的光轴为轴，上下对称或者左右对称进行排布。3.如权利要求2所述的AR显示设备，其特征在于，所述自由曲面透镜的数量为2、4、6或者8个，所述微型显示/投影器为与之数量对应的2、4、6或者8个，2、4、6或者8个所述自由曲面透镜以所述主透镜的光轴为轴进行轴对称排布，所述微型显示/投影器与对应的所述自由曲面透镜形成影像投射关系。4.如权利要求1至3中任一所述的AR显示设备，其特征在于，所述主透镜的数量为2个，所述自由曲面透镜的数量与所述微型显示/投影器的数量均为所述主透镜数量的2倍。5.如权利要求1至3中任一所述的AR显示设备，其特征在于，部分所述主透镜、所述自由曲面透镜和所述微型显示/投影器围布形成一个类三角形状，面朝向所述类三角形状的所述主透镜或者所述自由曲面透镜的一侧镀有半反半透膜。6.如权利要求5所述的AR显示设备，其特征在于，所述半反半透膜的反射率为20～70％。7.如权利要求1至3中任一所述的AR显示设备，其特征在于，均厚的所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：卫荣杰，方瑞芳，
申请(专利权)人：塔普翊海上海智能科技有限公司，
类型：新型
国别省市：上海,31