一种扩瞳装置及AR设备的制作方法

一种扩瞳装置及ar设备
技术领域
1.本发明涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种扩瞳装置及ar设备。


背景技术：

2.增强现实(augmented reality，ar)技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，这种利用增强现实技术的头戴显示器可以让人们在查看周围环境的同时，将虚拟的图像投射到人眼，在军事，工业，娱乐，医疗，交通运输等领域有着重要的意义。目前用于增强现实的透射型头戴显示器中，主要技术包括：birdbath、棱镜、自由曲面及光波导技术，相比于其他技术，采用光波导技术的头戴显示器体积更小。
3.现有技术的ar系统中，一种是采用一维扩瞳技术，如图1所示为一维阵列光波导100＇，其往往难以同时满足耦入光机体积小、大视场角、大出瞳距离、大眼盒这几个条件，难以实现人们的日常佩戴ar眼镜的需求。另一种方式是采用二维出瞳扩展技术，如图2和图3所示为二维阵列光波导100〞，包括上结构波导片101〞和下结构波导片102〞，二维阵列光波导100〞和一维阵列光波导100＇的主要区别在于上结构波导片101〞，而下结构波导片102〞和一维阵列光波导100＇类似。具体地，上结构波导片101〞主要包括两个相互平行表面，还有一系列平行的分束镜103〞嵌入在两个表面之间。
4.使用时，如图4所示，耦入光机的出瞳200〞位于上结构波导片101〞的一侧，其描述了从出瞳200〞出射的平行光进入人眼的光线路径，图中仅画出了眼盒边缘处最远端光线302〞和眼盒边缘处最近端光线，其他光线均在这两束光线之间；上述的过程可以等效为，耦入光机的出瞳200〞经过一系列分束镜103〞形成一系列的虚像，这些虚像中的每一个虚像都相当于出瞳200〞的一个复制品，即复制瞳303〞，复制瞳303〞发出的光线的角度以及宽度都与耦入光机的出瞳200〞完全一致，这一系列复制瞳303〞一同发出光线经过等效下结构波导片102〞后进入人眼，实现了水平扩瞳。该结构的主要作用是将耦入光机出射的光束进行转折，且每个分束镜103〞都会对出瞳200〞成一次像，通过水平以及竖直两次扩瞳实现了在大视场角情况下，还可以实现较大的出瞳距和眼盒，较小的耦入光机的体积。通过上述的分析可以发现，上结构波导片101〞利用11片分束镜103〞，对耦入光机出瞳200〞进行了11次复制，11个复制瞳303〞同时发光，因此增大了人眼移动的范围。
5.在实际中，为了达到良好的成像效果，这一系列的分束镜103〞需要经过光学加工然后胶合，其平行度以及疏密程度都有很高的要求，这不仅使得光线经过多次分光以及胶层后产生能量损失，还增大加工难度，使得成本变高。二维阵列光波导100〞的结构及加工工艺会更加复杂，导致成本增加。此外，如图4所示，以眼盒边缘处远端光线302〞为例，其到达眼盒时需要穿过三到四个分束镜103〞，在水平扩瞳中采用的多层分束镜103〞会降低光能利用率，使得系统出射的亮度降低。


技术实现要素：

6.本发明的一个目的在于提供一种扩瞳装置，简化结构，降低加工难度和成本，提高
光能利用率。
7.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种扩瞳装置，包括间隔设置的两个基片，两个所述基片之间设置有：
9.第一扩瞳单元，其包括沿第一方向排列的n个第一分束镜，且所述第一分束镜与所述第一方向呈第一夹角设置，其中，n≥2；
10.第二扩瞳单元，其包括沿所述第一方向排列的m个第二分束镜，且所述第二分束镜与所述第一方向呈第二夹角设置，其中，m≥2，所述第一扩瞳单元和所述第二扩瞳单元沿所述第一方向设置，出瞳设置于所述第一扩瞳单元和所述第二扩瞳单元之间；
11.第三扩瞳单元，其包括沿第二方向排列的p个第三分束镜，且所述第三分束镜与所述基片呈第三夹角设置，其中，p≥2，所述第三扩瞳单元沿第二方向设置于所述第一扩瞳单元和第二扩瞳单元的一侧。
12.可选地，n个所述第一分束镜平行间隔设置，m个所述第二分束镜平行间隔设置，p个所述第三分束镜平行间隔设置。
13.可选地，所述第一夹角为α，所述第二夹角为β，其中，0＜α＜90
°
，0＜β＜90
°
。
14.可选地，所述第一夹角与所述第二夹角相等，且所述出瞳沿所述第一方向放置；或
15.所述第一夹角与所述第二夹角不相等，且所述出瞳与所述第一方向呈第四夹角设置，所述第四夹角为γ，其中，γ＝90
°‑
α
‑
β，所述第四夹角为正数时，所述出瞳与所述第一分束镜的倾斜方向相反，所述第四夹角为负数时，所述出瞳与所述第一分束镜的倾斜方向相同。
16.可选地，所述第一扩瞳单元包括沿第一方向依次粘接的若干第一玻璃叠块，相邻两个所述第一玻璃叠块的粘接面形成所述第一分束镜；
17.所述第二扩瞳单元包括沿第一方向依次粘接的若干第二玻璃叠块，相邻两个所述第二玻璃叠块的粘接面形成所述第二分束镜；
18.所述第三扩瞳单元包括沿第二方向依次粘接的若干第三玻璃叠块，相邻两个所述第三玻璃叠块的粘接面形成所述第三分束镜。
19.可选地，所述第一玻璃叠块沿所述第一方向的厚度与所述第二玻璃叠块沿所述第一方向的厚度相同。
20.可选地，所述第一玻璃叠块和所述第二玻璃叠块的端部粘接于所述第三扩瞳单元沿所述第二方向端部的所述第三玻璃叠块。
21.可选地，所述扩瞳装置还包括第四玻璃叠块，朝向彼此的所述第一玻璃叠块和所述第二玻璃叠块分别粘接于所述第四玻璃叠块的两侧。
22.本发明的另一个目的在于提供一种ar设备，简化结构，降低加工难度和成本，提高光能利用率。
23.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
24.一种ar设备，其特征在于，包括上述的扩瞳装置。
25.可选地，第一方向为水平方向，第二方向为竖直方向，且第三扩瞳单元设置于所述第一扩瞳单元和第二扩瞳单元的下侧。
26.本发明的有益效果：
27.本发明提供的一种扩瞳装置，通过设置第一扩瞳单元、第二扩瞳单元、第三扩瞳单
元以及三者之间的位置关系、以及出瞳位置，减少了使用第一分束镜和第二分束镜的总个数的同时，且能够达到相同或更多的第二复制瞳的个数和第三复制瞳的个数，与现有技术相比，能够达到相同的效果或者增加效果，降低了制作难度，降低了成本，同时减小了体积，更便于使用；提高了光能利用率，减少了不必要的能量损失。
28.本发明提供的一种ar设备，通过采用上述的扩瞳装置，第一扩瞳单元和第二扩瞳单元沿第一方向增加了第二复制瞳的个数，增大第一方向视角；第三扩瞳单元沿第二方向增加了第三复制瞳的个数，增大第二方向视角，从而增大了两个方向的视角；减少使用第一分束镜和第二分束镜的总个数的同时，且能够达到相同或更多的第二复制瞳和第三复制瞳的个数，即能够达到相同的效果或者增加效果，降低了制作难度，降低了成本，同时减小了体积，更便于使用；提高了光能利用率，减少了不必要的能量损失。
附图说明
29.图1是现有技术中一维阵列光波导的结构示意图；
30.图2是现有技术中二维阵列光波导的结构示意图；
31.图3是现有技术中二维阵列光波导的爆炸图；
32.图4是现有技术中二维阵列光波导的光路图；
33.图5是本发明的具体实施方式提供的扩瞳装置的结构示意图；
34.图6是本发明的具体实施方式提供的扩瞳装置的光路图；
35.图7是本发明的具体实施方式提供的第一扩瞳单元的俯视图的光路图；
36.图8是本发明的具体实施方式提供的第一扩瞳单元的主视图的光路图。
37.图中：
38.100＇、一维阵列光波导；
39.100〞、二维阵列光波导；101〞、上结构波导片；102〞、下结构波导片；103〞、分束镜；104〞、玻璃叠块；200〞、出瞳；301〞、眼盒边缘处近端光线；302〞、眼盒边缘处远端光线；303〞、复制瞳；
40.100、出瞳；
41.1、第一扩瞳单元；11、第一分束镜；12、第一玻璃叠块；
42.2、第二扩瞳单元；21、第二分束镜；22、第二玻璃叠块；
43.3、第三扩瞳单元；31、第三分束镜；32、第三玻璃叠块；
44.4、基片；
45.5、第四玻璃叠块；
46.6、辅助玻璃叠块；
47.71、第一复制瞳；72、第二复制瞳；73、眼盒边缘处近端光线；74、眼盒边缘处远端光线。
具体实施方式
48.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，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，都属于本发明保护的范围。
49.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
50.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
51.本实施例提供了一种扩瞳装置，其包括间隔设置的两个基片4，两个基片4之间设置有第一扩瞳单元1、第二扩瞳单元2和第三扩瞳单元3；如图5所示，第一扩瞳单元1包括沿第一方向排列的n个第一分束镜11，且第一分束镜11与第一方向呈第一夹角设置，其中，n≥2；第二扩瞳单元2包括沿第一方向排列的m个第二分束镜21，且第二分束镜21与第一方向呈第二夹角设置，其中，m≥2，第一扩瞳单元1和第二扩瞳单元2沿第一方向设置，出瞳100设置于第一扩瞳单元1和第二扩瞳单元2之间；第三扩瞳单元3包括沿第二方向排列的p个第三分束镜31，且第三分束镜31与基片4呈第三夹角设置，其中，m≥2，第三扩瞳单元3沿第二方向设置于第一扩瞳单元1和第二扩瞳单元2的一侧。本实施例中，第一方向为x向，第二方向为y向，优选地，第二方向垂直于第一方向。
52.通过出瞳100设置于第一扩瞳单元1和第二扩瞳单元2之间，以及设置第一扩瞳单元1、第二扩瞳单元2和第三扩瞳单元3的位置关系，使得从出瞳100中出射的平行光依次通过第一扩瞳单元1、第二扩瞳单元2和第三扩瞳单元3，完成三次扩瞳后进入人眼。具体地，第一扩瞳单元1的n个第一分束镜11能够对出瞳100进行第一次扩瞳形成n个第一复制瞳71，第二扩瞳单元2的m个第二分束镜21能够对第一次扩瞳的光束进行第二次扩瞳形成n
×
m个第二复制瞳72，第三扩瞳单元3的p个第三分束镜31能够对第二次扩瞳的复制瞳进行第三次扩瞳形成n
×
m
×
p个第三复制瞳。第一扩瞳单元1和第二扩瞳单元2沿第一方向增加了第二复制瞳72的个数，增大第一方向视角；第三扩瞳单元3沿第二方向增加了第三复制瞳的个数，增大第二方向视角。
53.本实施例中，如图6所示，以n＝2，m＝6为例进行示例性说明。耦入光机的出瞳100经过第一次扩瞳单元形成了2个第一复制瞳71，这2个第一复制瞳71经过第二次扩瞳单元将形成2
×
6个第二复制瞳72，第一分束镜11和第二分束镜21使用的总数为8个，相较于现有技术中使用11个分束镜形成11个复制瞳，减少使用第一分束镜11和第二分束镜21的总个数的同时，且能够达到相同或更多的第二复制瞳72的个数，即能够达到相同的效果或者增加效果，降低了制作难度，降低了成本，同时减小了体积，更便于使用；由于减少了第一分束镜11和第二分束镜21的个数，如图6所示，以眼盒边缘处远端光线74为例，其到达眼盒时需要穿过两个第二分束镜21，减少使用第二分束镜21时减少了光线穿过第二分束镜21的个数，提高了光能利用率，减少了不必要的能量损失。
54.具体地，耦入光机可采用现有手段安装于扩瞳装置上，不进行限定。
55.可选地，n个第一分束镜11平行间隔设置，m个第二分束镜21平行间隔设置，p个第三分束镜31平行间隔设置，第一分束镜11、第二分束镜21及第三分束镜31分别平行设置，避免显示图像中产生鬼像。
56.如图7和图8所示，为光线在第一扩瞳单元1中的传输路径。图7为光线在第一扩瞳单元1内从一端传输到另一端的光路图，图8为光线在第一扩瞳单元1表面从一端传输到另一端的路线图，其中，第一扩瞳单元1内光线走过的路径长度为2l，在第一扩瞳单元1的基片4表面光线走过的路径长度为d，光线入射角为a，由图中几何关系可知：d＝2l
×
sina；可以理解的是，长度为d的第一扩瞳单元1对于入射角为a的光线而言，等效长度或称展开长度为d/sina，因此对于间隔为d的分束镜102＇，对于入射角为a的光线而言，等效间隔或展开间隔为的d/sina。根据上述光线传输原理，第一分束镜11间隔设置，能够增大出瞳距；同理，第二分束镜21及第三分束镜31分别间隔设置，能够增大出瞳距。
57.具体地，可根据出瞳的位置以及角度进行设定第一夹角和第二夹角，当其用于ar眼镜时，可设置相应的形状的镜腿及镜腿位置。可选地，第一夹角为α，第二夹角为β，其中，0＜α＜90
°
，0＜β＜90
°
，使第一分束镜11和第二分束镜都朝向同一方向倾斜，便于制作。可选地，第三夹角的范围为20
°‑
30
°
。
58.可选地，第一夹角和第二夹角可以相等也可以不相等。本实施例中，第一夹角与第二夹角相等，使第一分束镜11和第二分束镜21以同样的倾角设置，减少制作标准，降低了制作难度；且出瞳100沿第一方向放置，保证了每一个第二复制瞳72出射的平行光都与出瞳100一致，第二复制瞳72发出的平行光经过第三扩瞳单元3后进入人眼，保证进入人眼的第二复制瞳72发出的平行光与出瞳100出射的平行光一致。
59.其他实施例中，第一夹角与第二夹角也可以不相等，具体地，出瞳100与第一方向呈第四夹角设置，第四夹角为γ，其中，γ＝90
°‑
α
‑
β，当第四夹角为正数时，出瞳100与第一分束镜11的倾斜方向相反，当第四夹角为负数时，出瞳100与第一分束镜11的倾斜方向相同，保证了每一个第二复制瞳72出射的平行光都与出瞳100一致，第二复制瞳72发出的平行光经过第三扩瞳单元3后进入人眼，保证进入人眼的第二复制瞳72发出的平行光与出瞳100出射的平行光一致。
60.可选地，第一扩瞳单元1包括沿第一方向依次粘接的若干第一玻璃叠块12，相邻两个第一玻璃叠块12的粘接面形成第一分束镜11；第二扩瞳单元2包括沿第一方向依次粘接的若干第二玻璃叠块22，相邻两个第二玻璃叠块22的粘接面形成第二分束镜21；第三扩瞳单元3包括沿第二方向依次粘接的若干第三玻璃叠块32，相邻两个第三玻璃叠块32的粘接面形成第三分束镜31，结构简单。具体地，第一玻璃叠块12、第二玻璃叠块22和第三玻璃叠块32需要先进行镀膜之后胶合。减少分束镜的使用数量，则减少玻璃叠块的使用数量，降低制作难度；由于胶合产生的胶层也会降低光能利用率，减少胶层，提高了光能利用率。不仅如此，为了获得良好的成像效果，在追求更大视场角、显示效果更好、体积更小的ar显示系统时，现有技术中的上结构波导片使用的玻璃叠块的体积更小，则需要的分束镜层数越多，而使用本方案的第一分束镜11与第二分束镜21的方案，会减少更多层数的分束镜，使得效果更突出。
61.进一步具体地，第一玻璃叠块12、第二玻璃叠块22和第三玻璃叠块32用于胶合的
两个表面平行设置，以保证不同第一分束镜11相互平行、不同第二分束镜21相互平行以及不同第三分束镜31相互平行，避免显示图像中产生鬼像。
62.进一步具体地，若干第一玻璃叠块12的厚度均相同，若干第二玻璃叠块22的厚度均相同，若干第三玻璃叠块32的厚度均相同，进一步可选地，第一玻璃叠块12沿第一方向的厚度与第二玻璃叠块22沿第一方向的厚度相同，制作时两者之间可以通用，更加方便。进一步可选地，第一玻璃叠块12、第二玻璃叠块22和第三玻璃叠块32的厚度均相同，制作时三者之间可以通用，更加方便。
63.可选地，第一玻璃叠块12和第二玻璃叠块22的端部粘接于第三扩瞳单元3沿第二方向端部的第三玻璃叠块32，从而使第一扩瞳单元1和第二扩瞳单元2均连接于第三扩瞳单元3上，使结构更稳定可靠。
64.可选地，扩瞳装置还包括第四玻璃叠块5，朝向彼此的第一玻璃叠块12和第二玻璃叠块22分别粘接于第四玻璃叠块5的两侧，以使第一扩瞳单元1与第二扩瞳单元2连接，使结构更稳定可靠。具体地，第四玻璃叠块5的端部粘接于第三扩瞳单元3沿第二方向端部的第三玻璃叠块32，进一步提高了结构稳定可靠性。
65.可选地，扩瞳装置还包括辅助玻璃叠块6，设置于第一扩瞳单元1、第二扩瞳单元2与第三扩瞳单元3的外周，用于辅助扩瞳装置形成相应的造型，提高美观性。本实施例中，两个辅助玻璃叠块6沿第一方向设置于第一扩瞳单元1与第二扩瞳单元2背离彼此的一侧，以使第一扩瞳单元1与第二扩瞳单元2的截面呈矩形。
66.可选地，第一玻璃叠块12、第二玻璃叠块22、第三玻璃叠块32、第四玻璃叠块5以及辅助玻璃叠块6可均采用相同的材质制成，并采用相同的方法粘接；可选地，第一玻璃叠块12、第二玻璃叠块22、第三玻璃叠块32、第四玻璃叠块5以及辅助玻璃叠块6也可以均采用不同的材质制成，并采用不同的方法粘接；可选地，第一玻璃叠块12、第二玻璃叠块22、第三玻璃叠块32、第四玻璃叠块5以及辅助玻璃叠块6也可以其中部分采用相同材质制成，另一部分采用不同的材质制成，其中部分采用相同方法粘接，另一部分采用不同的方法粘接，具体制作方法可根据实际情况设置，不作限定。
67.下面给出现有技术和本方案具体对比例。
68.如图4所示，上结构波导片中具有10个玻璃叠块，分束镜的倾角为45
°
，基片4的厚度为1.7mm，玻璃材料为h
‑
bak5(n＝1.56)，上结构波导片中分束镜的等效间隔为5mm，波导片内传输图像的对角线视场角40
°
(采用16:9屏幕，水平视场
×
纵向视场为35.2
°×
20.24
°
)。出瞳100直径l1〞为5.5mm，光线从上结构波导片101〞中出射后，在下结构波导片102〞中所走的等效长度或展开长度为l2〞为18mm，出瞳距l3〞为20mm，复制瞳直径l4〞为5.5mm，眼盒距离l5〞为8.43mm。
69.具体地，如图6所示给出了等效光路图，第一扩瞳单元1使用1个第一玻璃叠块12，第二扩瞳单元2使用5个第二玻璃叠块22，其中，基片4的厚度为1.7mm，玻璃材料为h
‑
bak5(n＝1.56)，第一分束镜11和第二分束镜21的倾角都为45
°
，第一分束镜11之间的的等效间隔为5mm，第二分束镜21之间的等效间隔为10mm，波导片内传输图像的对角线视场角40
°
(采用16:9屏幕，水平视场
×
纵向视场为35.2
°×
20.24
°
)。出瞳100直径l1为5.5mm，光线从第二扩瞳单元2中出射后，光线从上结构波导片中出射后，在下结构波导片中所走的等效长度或展开长度l2为18mm，出瞳距l3为20mm，第二复制瞳直径l4为5.5mm，眼盒距离l5为9.14mm，。本
方案与现有技术相比，减少了玻璃叠块的使用数量，减小了体积，且增大了眼盒距离。
70.本实施例还提供了一种ar设备，其包括上述的扩瞳装置，第一扩瞳单元1和第二扩瞳单元2沿第一方向增加了第二复制瞳72的个数，增大第一方向视角；第三扩瞳单元3沿第二方向增加了第三复制瞳的个数，增大第二方向视角，从而增大了两个方向的视角；减少使用第一分束镜11和第二分束镜21的总个数的同时，且能够达到相同或更多的第二复制瞳72和第三复制瞳的个数，即能够达到相同的效果或者增加效果，降低了制作难度，降低了成本，同时减小了体积，更便于使用；提高了光能利用率，减少了不必要的能量损失。
71.对于ar眼镜，水平眼盒距离增大，能够满足更多用户需求，而竖直眼盒距离采用通用标准时即可满足用户需求，可选地，第一方向为水平方向，第二方向为竖直方向，且第三扩瞳单元3设置于第一扩瞳单元1和第二扩瞳单元2的下侧，因此水平方向采用第一扩瞳单元1和第二扩瞳单元2，以较少的第一分束镜11和第二分束镜21得到较多复制瞳，以满足用户需求同时降低制作难度，第三扩瞳单元3采用现有技术中的结构即可满足需求，即较少数量的第三分束镜31，能够满足用户需求，且能降低制作难度。
72.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。