AR光学系统及AR显示设备的制作方法

ar光学系统及ar显示设备
技术领域
1.本技术涉及显示设备技术领域，特别是涉及一种ar光学系统及ar显示设备。


背景技术：

2.增强现实(ar，augmented reality)技术通过计算机技术将虚拟信息混合到真实世界的场景中，使真实的环境和虚拟的画面实时地呈现到同一个画面中，可以实现真实世界信息和虚拟世界信息的相互补充和叠加，从而使用户具有身临其境的沉浸感。
3.在ar光学系统中存在一个显示内容最清晰的区域，当使用者的眼睛位于此区域内时，就能看到清晰的图像，超出该区域的范围则可能会出现图像扭曲、显色错误，甚至不显示内容等问题。
4.然而，由于每个人眼睛的位置、大小等均存在差异，现有的ar光学系统难以满足不同使用者的使用需求，通用性较差。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对ar光学系统难以满足不同使用者的使用需求，通用性较差的问题，提供一种ar光学系统及ar显示设备。
6.本技术实施例提供了一种ar光学系统，包括：显示模组，用于展示虚拟图像；眼球追踪模组，包括：基板，具有承载面；多个微型led和多个微型光学感测元件，均阵列排布于承载面上，微型led被配置为能够向使用者的眼球发射第一光线，微型光学感测元件被配置为能够感测被使用者的眼球反射回的光线并生成眼球图像；微型集成电路，设置于承载面上，微型led和微型光学感测元件分别电性连接微型集成电路，微型集成电路被配置为能够根据眼球图像确定眼球的位置信息；以及调光模组，包括耦合元件，耦合元件电性连接微型集成电路，耦合元件被配置为能够根据眼球的位置信息调节虚拟图像发射至眼球的光线角度以使其直射。
7.在其中一个实施例中，耦合元件为包括多个液晶透镜的透镜组；液晶透镜具有光轴，调光模组被配置为能够根据眼球的位置信息改变液晶透镜的光轴方向。
8.在其中一个实施例中，耦合元件为液晶棱镜；液晶棱镜在不同位置处具有不同的等效折射率，调光模组被配置为能够根据眼球的位置信息改变虚拟图像发射至眼球的光线穿过液晶棱镜的位置。
9.在其中一个实施例中，耦合元件为液晶光栅；调光模组被配置为能够根据眼球的位置信息改变虚拟图像发射至眼球的光线穿过液晶光栅后的传播方向。
10.在其中一个实施例中，调光模组还包括光波导模组，光波导模组被配置为能够将耦合元件出射的光线投射至使用者的眼球。
11.在其中一个实施例中，光波导模组包括光波导元件，光波导元件具有入光面，耦合元件设置于光波导元件的面向入光面的一侧。
12.在其中一个实施例中，光波导元件具有相互间隔设置的输入区域和输出区域，输
入区域被配置为能够将光线耦合输入光波导元件中，输出区域被配置为能够将光波导元件中的光线耦合输出。
13.在其中一个实施例中，光波导模组还包括第一光栅元件和第二光栅元件，第一光栅元件设置于光波导元件的背离入光面的一侧以形成输入区域，第二光栅元件设置于光波导元件的背离入光面的一侧以形成输出区域。
14.在其中一个实施例中，耦合元件和第一光栅元件关于光波导元件相对设置。
15.在其中一个实施例中，眼球追踪模组设置于光波导元件的面向入光面的一侧，且眼球追踪模组和第二光栅元件关于光波导元件相对设置。
16.本技术实施例还提供了一种ar显示设备，包括：框架以及如上述的ar光学系统，ar光学系统固定于框架。
17.在其中一个实施例中，还包括镜片，镜片设置于框架，且基板的背离承载面的表面与镜片贴合。
18.基于本技术实施例的ar光学系统及ar显示设备，通过眼球追踪模组中的微型led向使用者的眼球发射第一光线，微型光学感测元件感测被使用者的眼球反射回的光线并生成眼球图像，微型集成电路根据该眼球图像确定眼球的位置信息，使ar光学系统具备眼球追踪功能，从而调光组件中的耦合元件就能够根据眼球的位置信息来调节显示模组所展示的虚拟图像发射至眼球的光线角度，使不同的使用者均能够看到清晰的图像，满足不同使用者的使用需求，通用性更强。
附图说明
19.图1为本技术一个实施例提供的ar光学系统的简化结构示意图；
20.图2为本技术一个实施例提供的眼球追踪模组中，微型led、微型光学感测元件及微型集成电路在基板的承载面上的分布示意图；
21.图3为本技术一个实施例提供的ar光学系统使用时在一个状态下的简化结构示意图；
22.图4为本技术一个实施例提供的ar光学系统使用时在另一个状态下的简化结构示意图；
23.图5为本技术一个实施例提供的ar显示设备的立体结构示意图。
24.主要元件符号说明
25.ar显示设备
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ126.眼球
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ227.ar光学系统
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
10
28.框架
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
20
29.显示模组
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
100
30.虚拟图像
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
110
31.眼球追踪模组
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
200
32.基板
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
210
33.承载面
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
211
34.微型led
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
220
35.微型光学感测元件
ꢀꢀ
230
36.微型集成电路
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
240
37.调光模组
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
300
38.耦合元件
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
310
39.光波导模组
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
320
40.光波导元件
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
321
41.入光面
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3211
42.输入区域
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3212
43.输出区域
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3213
44.第一光栅元件
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
322
45.第二光栅元件
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
323
46.镜片
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
400
具体实施方式
47.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术。但是本技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似改进，因此本技术不受下面公开的具体实施例的限制。
48.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
49.除非另有定义，本文所使用的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
50.图1为本技术一个实施例提供的ar光学系统10的立体结构示意图，图2为本技术一个实施例提供的ar光学系统10的简化结构示意图。
51.请参阅图1至图2，本技术实施例提供了一种ar光学系统10，该ar光学系统10包括显示模组100、眼球追踪模组200以及调光模组300。ar(augmentedreality)光学系统能够将真实世界信息和虚拟世界信息相互补充和叠加，从而实现对真实世界的“增强”。
52.其中，显示模组100用于展示虚拟图像110。具体的，显示屏可以采用液晶显示屏(lcd，liquid crystal display)、发光二极管(led，light emitting diodes)显示屏、有机发光二极管(oled，organic light
‑
emitting diode)显示屏或有源矩阵量子点发光二极管(qled，quantum dot light emitting diodes)显示屏等任意具有显示功能的屏幕。
53.如图2所示，眼球追踪模组200包括基板210、多个微型led220和多个微型光学感测元件230以及微型集成电路240。基板210为透明的，基板210的其中一个表面为承载面211，微型集成电路240设置于承载面211上，多个微型led220和多个微型光学感测元件230均阵列排布在承载面211上，多个微型led220可以在承载面211上矩形阵列以形成多行多列，类似的，多个微型光学感测元件230同样可以在承载面211上矩形阵列以形成多行多列。为了
便于眼球追踪模组200的加工成型，在一些实施例中，相邻的两行微型led220之间设置有一行微型光学感测元件230，相邻的两行微型光学感测元件230之间设置有一行微型led220。在其它的实施例中，微型led220和微型光学感测元件230的排列方式也可以不限于此。并且，微型led220和微型光学感测元件230分别电性连接微型集成电路240。
54.在眼球追踪模组200中，微型led220能够向使用者的眼球2发射第一光线，微型光学感测元件230能够感测被使用者的眼球2反射回的光线并生成眼球2图像，微型集成电路240能够根据眼球2图像确定眼球2的位置信息。如此，使得该ar光学系统10具备眼球2追踪功能。微型led220可以采用微型红外led，微型红外led所发射的第一光线即为红外光。进一步的，微型集成电路240还可以根据使用者的眼球2的位置信息，可以判断出使用者的眼部活动，例如，眼跳动、注视、平滑跟踪、眨眼等。如此，该ar光学系统10还可以根据使用者的眼部运动给予使用者不同的反馈，例如，当使用者注视时，可以执行触发或选取动作，当使用者眨眼时，可以执行确认动作。
55.在确定了眼球2位置信息后，就可以利用调光模组300来调节虚拟图像110发射的光线使其直射入使用者的眼球2。具体的，调光模组300包括耦合元件310，耦合元件310电性连接微型集成电路240。在接收到微型集成电路240中确定的眼球2的位置信息后，耦合元件310能够根据眼球2的位置信息调节虚拟图像110发射至眼球2的光线角度以使其直射入使用者的眼球2。
56.本技术实施例中的ar光学系统10，通过眼球追踪模组200中的微型led220向使用者的眼球2发射第一光线，微型光学感测元件230感测被使用者的眼球2反射回的光线并生成眼球2图像，微型集成电路240根据该眼球2图像确定眼球2的位置信息，使ar光学系统10具备眼球2追踪功能，从而调光组件中的耦合元件310就能够根据眼球2的位置信息来调节显示模组100所展示的虚拟图像110发射至眼球2的光线角度，使不同的使用者均能够看到清晰的图像，满足不同使用者的使用需求，通用性更强。
57.需要说明的是，根据应用场景及使用需求的不同，ar光学系统10中的眼球追踪模组200以及调光模组300的数量可以均只有一个，针对使用者的其中一只眼睛单独使用，眼球追踪模组200对这只眼睛的眼球2进行追踪，显示模组100展示的虚拟图像110所发射的光线经调光模组300调节后直射入这只眼睛的眼球2中。ar光学系统10中的眼球追踪模组200以及调光模组300的数量也可以为均两个，针对使用者的两只眼睛成对使用，两个眼球追踪模组200分别对两只眼睛的眼球2进行追踪，显示模组100展示的虚拟图像110所发射的光线分别经两个调光模组300调节后直射入两只眼睛的眼球2中。
58.耦合元件310根据眼球2的位置信息调节虚拟图像110发射至眼球2的光线角度以使其直射入使用者的眼球2，耦合元件310调节光线角度的方式根据耦合元件310的类型的不同而有所不同。具体的，在一些实施例中，耦合元件310可以为包括多个液晶透镜的透镜组，透镜组中多个液晶透镜层叠、阵列排布，液晶微透镜是一种利用电光效应来改变透镜折射率空间分布的微透镜，具有尺寸微小，焦距可调等优点。液晶透镜具有光轴，光轴是透镜中人为定义出的一个虚拟轴线，通过液晶透镜两个球面球心的直线叫做光轴，平行于光轴的光在穿过液晶透镜后会聚在一点，这个点即为液晶透镜的焦点。调光模组300被配置为能够根据眼球2的位置信息改变液晶透镜的光轴方向，液晶透镜的光轴方向改变后，穿过液晶透镜的光线被折射的方向也随之发生改变，通过改变液晶透镜的光轴方向至合适的方向，
就可以使显示模组100所展示的虚拟图像110发射至眼球2的光线被液晶透镜组折射至所需的角度，以实现直射入使用者的眼球2的效果。
59.在其它一些实施例中，耦合元件310可以为液晶棱镜，棱镜是采用透明材料制作的多面体，棱镜能够改变穿过其中的光线的行进方向，即令光线发生折射。而液晶棱镜则是通过在电极组中不同的电极上施加不同的电压形成梯度电场，使得不同位置处的液晶分子受到的电场力不同，液晶分子的旋转方向也就不同，从而实现对光线的折射效果的一种棱镜。由于光线由液晶棱镜上的不同位置处穿过液晶棱镜后，其行进方向的改变程度是不相同的，因此，液晶棱镜在不同位置处具有不同的等效折射率。调光模组300被配置为能够根据眼球2的位置信息改变虚拟图像110发射至眼球2的光线穿过液晶棱镜的位置，通过改变虚拟图像110发射至眼球2的光线穿过液晶棱镜的位置，就可以使该光线被液晶棱镜折射至所需的角度，以实现直射入使用者的眼球2的效果。
60.在其它一些实施例中，耦合元件310还可以为液晶光栅，光栅是利用多缝衍射原理使光发生色散的光学元件，而液晶光栅即为通过在电极上施加电压形成电场，液晶分子由于受到电场力而发生偏转，以实现对光线的衍射效应，利用衍射效应即可改变光线的传播方向。调光模组300被配置为能够根据眼球2的位置信息改变虚拟图像110发射至眼球2的光线穿过液晶光栅后的传播方向，使显示模组100所展示的虚拟图像110发射至眼球2的光线被液晶光栅调节至所需的角度，以实现直射入使用者的眼球2的效果。
61.图3为本技术一个实施例提供的ar光学系统10使用时在一个状态下的简化结构示意图，图4为本技术一个实施例提供的ar光学系统10使用时在另一个状态下的简化结构示意图。
62.请参阅图3至图4，在一些实施例中，调光模组300还包括光波导模组320，光波导模组320被配置为能够将耦合元件310出射的光线投射至使用者的眼球2。光波导模组320是引导光波在其中传播的介质装置，能够起到传导光线的作用。耦合元件310出射的光线进入光波导模组320中经传导后就能够被透射至使用者的眼球2。由此，使用者能够接收到由光波导模组320中传导出的虚拟图像110，并且显示模组100无需挡在使用者视线的前方，显示模组100所展示的虚拟图像110也能够被使用者接收，进而与使用者视线前方的真实图像融合形成ar图像。
63.具体的，在一些实施例中，光波导模组320包括光波导元件321，光波导元件321具有入光面3211，耦合元件310设置于光波导元件321的面向入光面3211的一侧。如图3及图4中所示，入光面3211即为光波导元件321接收光线的表面，经耦合元件310调节角度后的光线由入光面3211进入到光波导元件321中并在光波导元件321中进行传导。并且，光波导元件321具有相互间隔设置的输入区域3212和输出区域3213，可以理解的是，入光面3211与输入区域3212相对的区域可视为光波导元件321的输入区域3212，入光面3211与输出区域3213相对的区域可视为光波导元件321的输出区域3213。经耦合元件310调节角度后的光线由输入区域3212入到光波导元件321中，经光波导元件321传导后，光线由输出区域3213耦合输出。
64.图中的光路仅仅示出了入射光线中的部分光线的传导路径，在其它的实施例中，入射光线中的其它波长的光线还可以在光波导元件321中沿其它的路径传导。并且，根据入射光线的波长范围的不同，光波导元件321的形状可以发生改变，光波导元件321的数量也
可以为多个，此处不作限定。
65.在一些实施例中，光波导模组320中光线的耦合输入、输出耦合均通过全息光栅实现，具体的，光波导模组320还包括第一光栅元件322和第二光栅元件323，第一光栅元件322设置于光波导元件321的背离入光面3211的一侧以形成输入区域3212，第二光栅元件323设置于光波导元件321的背离入光面3211的一侧以形成输出区域3213。当光线经入光面3211到达第一光栅元件322时，入射光线会在第一光栅元件322内发生衍射等光学现象，被该全息光栅耦合进而输入光波导元件321中。类似的，光波导元件321中的光线到达第二光栅元件323时，会在第一光栅元件322内发生衍射等光学现象，被该全息光栅耦合进而从光波导元件321中输出。
66.进一步地，耦合元件310可以和第一光栅元件322关于光波导元件321相对设置，如此可以减少耦合元件310中输出的光线到达第一光栅元件322的传导距离。类似的，在一些实施例中，眼球追踪模组200设置于光波导元件321的面向入光面3211的一侧，且眼球追踪模组200和第二光栅元件323关于光波导元件321相对设置，如此，由光波导元件321输出的光线能够穿过眼球追踪模组200直射入使用者的眼球2，眼球追踪模组200并不会对光线造成遮挡，并且眼球追踪模组200也能够直接对使用者的眼球2进行追踪，结构布置合理，有效节省了ar光学系统10所占用的空间。
67.图5为本技术一个实施例提供的ar显示设备1的立体结构示意图
68.请参阅图5，本技术实施例还提供一种ar显示设备1，该ar显示设备1包括框架20以及如上述的ar光学系统10，其中，ar光学系统10固定于框架20。ar显示设备1是一种实现ar技术且可佩戴在人体头部进行展示的可穿戴式设备，它通过计算机技术将虚拟的信息叠加到真实世界，使真实的环境和虚拟的物体能够实时地叠加到同一个画面中，实现两种信息的相互补充，并通过ar显示设备1在用户的眼前进行画面展示。本技术实施例中的ar显示设备1，通过眼球追踪模组200中的微型led220向使用者的眼球2发射第一光线，微型光学感测元件230感测被使用者的眼球2反射回的光线并生成眼球2图像，微型集成电路240根据该眼球2图像确定眼球2的位置信息，使ar显示设备1具备眼球2追踪功能，从而调光组件中的耦合元件310就能够根据眼球2的位置信息来调节显示模组100所展示的虚拟图像110发射至眼球2的光线角度，使不同的使用者均能够看到清晰的图像，满足不同使用者的使用需求，通用性更强。
69.具体的，在一些实施例中，如图5所示，ar显示设备1可以为眼镜形态，此时，ar显示设备1还包括镜片30，镜片30设置于框架20，且基板210的背离承载面211的表面与镜片30贴合。框架20包括镜架及两个镜腿，两个镜腿相对间隔设置在镜架的两侧，镜片30安装于镜架。使用时，使用者可以将框架20上的两个镜腿分别搭在两侧的耳朵上，以使镜片30朝向自己的眼睛。图中示意了镜片30的数量为两个，但该镜片30的数量也可以为一个或多个，此处不作限定。在其它的实施例中，ar显示设备1也可以为头盔形态，使用时，用户可以将头盔形态的框架20罩设于自己的头部，并使镜片30朝向自己的眼睛。总而言之，通过将框架20设置为包括镜架以及镜腿或者包括头盔，可以使ar显示设备1形成不同的使用形态，以分别满足各类用户不同种类的使用需求，提升了本实施例中ar显示设备1的适用范围。
70.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
71.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。