AR显示系统及眼镜的制作方法

ar显示系统及眼镜
技术领域
1.本技术属于增强现实技术领域，更具体地说，是涉及一种ar显示系统及眼镜。


背景技术：

2.ar(augmented reality，增强现实)，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。
3.3d(three dimensions，三维)显示可以使画面变得立体逼真，图像不再局限于屏幕平面，仿佛能够走出屏幕外面，让观众有身临其境的感觉。而传统的3d显示技术利用左右眼的视差，分时显示左右眼不同视差的图像，由于图像变换频率足够快，人脑无法分辨从而造成3d影像的效果。此方案由于焦距和辐轴的矛盾，使用时间过长容易造成眩晕，用户体验较差。另一种3d成像方法是通过多平面分时显示的策略，同样的，不同平面的图像变换频率足够快，人眼无法分辨从而显示3d效果，但不会出现焦距和辐轴的矛盾，是下一代3d显示技术发展方向。目前，现有技术采用反射型微显示器件或透射式lcd(liquid crystal display，液晶显示器)作为图像源，需要配合光源使用，体积过大，不适合应用推广。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种ar显示系统及眼镜，旨在解决现有技术中的ar眼镜体积过大，不适合推广的问题。
5.为实现上述目的，根据本技术的一个方面，提供了一种ar显示系统，包括：
6.硅基led微显示单元，用于发射图像光；偏振转换器，设置于硅基led微显示单元的出光侧，用于将硅基led微显示单元发射的图像光转换为s偏振光，并出射；成像单元，设置于图像光和外界实物光的出射路径上，能够通过调节焦距在不同距离成像；偏振分光单元，设置于外界实物和成像单元之间，且位于偏振转换器的出光侧；图像光经过偏振转换器转换成s偏振光并出射至偏振分光单元，s偏振光经偏振分光单元反射至成像单元，外界实物光经过偏振分光单元转换成p偏振光并透射至成像单元，s偏振光经成像单元调制后与经过成像单元透射的p偏振光融合成像；其中，s偏振光与p偏振光的偏振方向相垂直。
7.可选地，偏振分光单元包括半透半反镜和偏振片，偏振片设置于半透半反镜靠近外界实物的一侧。
8.可选地，偏振分光单元包括第一偏振分光棱镜。
9.可选地，硅基led微显示单元包括单色硅基led微显示器；单色硅基led微显示器和偏振转换器沿第一方向间隔设置，单色硅基led微显示器和偏振转换器的光轴均与第一方向平行，成像单元的光轴与第二方向平行，第一方向和第二方向垂直；半透半反镜相对于第一方向倾斜设置。
10.可选地，单色硅基led微显示器和偏振转换器的光轴同轴设置。
11.可选地，硅基led微显示单元包括红色硅基led微显示器、绿色硅基led微显示器和
蓝色硅基led微显示器；ar显示系统还包括：合光元件，合光元件位于偏振转换器的入光侧，红色硅基led微显示器、绿色硅基led微显示器和蓝色硅基led微显示器分别位于合光元件的不同入光侧，合光元件能够将红色硅基led微显示器、绿色硅基led微显示器和蓝色硅基led微显示器发出的单色光进行融合形成图像光；偏振转换器和合光元件沿第一方向设置，偏振转换器的和合光元件的光轴均与第一方向平行，成像单元的光轴与第二方向平行，第一方向和第二方向垂直；半透半反镜相对于第一方向倾斜设置。
12.可选地，合光元件包括第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜和第四棱镜，第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜和第四棱镜的横截面均为等腰直角三角形，第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜和第四棱镜的顶部相接形成棱柱；棱柱包括两个相对的正方形端面和四个矩形侧面，四个矩形侧面分别为三个入光侧和一个出光侧；红色硅基led微显示器发出的单色光、绿色硅基led微显示器发出的单色光和蓝色硅基led微显示器发出的单色光分别射入三个入光侧，合光元件的出光侧位于偏振转换器的入光侧。
13.可选地，偏振转换器包括多个第二偏振分光棱镜，多个第二偏振分光棱镜呈一字排列，多个第二偏振分光棱镜的入射面位于同一侧，多个第二偏振分光棱镜的出射面位于同一侧；在多个第二偏振分光棱镜中，每相邻的两个第二偏振分光棱镜中的一个第二偏振分光棱镜的入射面设置有遮光板，另一个第二偏振分光棱镜的出射面设置有半波片。
14.可选地，硅基led微显示单元包括：驱动板块晶圆和发光半导体晶圆，驱动板块晶圆设置于发光半导体晶圆下方，驱动板块晶圆包括：驱动电路，发光半导体晶圆上方设置有发光像素点，驱动电路与发光像素点连接。
15.根据本技术的另一个方面，提供了一种眼镜，包括上述的ar显示系统。
16.本技术提供的一种ar显示系统的有益效果在于：与现有技术相比，经偏振转换器转换的硅基led(lightemitting diode，发光二极管)微显示单元发射的图像光，以及外界实物光，均通过偏振分光单元传输至成像单元，再由成像单元输出至人眼，由于图像光源采用硅基led微显示单元，而该硅基led微显示单元可以直接发光，无需额外光源，能大大减小ar显示系统的体积。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本技术实施例提供的ar显示系统的一种结构示意图；
19.图2为本技术实施例提供的ar显示系统的另一种结构示意图；
20.图3为本技术实施例提供的ar显示系统的偏振转换器的结构示意图；
21.图4为本技术实施例提供的不同空间位置成像原理图；
22.图5为本技术实施例提供的ar显示系统的成像单元的工作原理图；
23.图6为本技术实施例提供的ar显示系统的硅基led微显示单元的工艺示意图；
24.图7为本技术实施例提供的ar显示系统的硅基led微显示单元的结构示意图；
25.图8为本技术实施例提供的ar显示系统的硅基led微显示单元的俯视图。
26.上述附图所涉及的标号明细如下：
27.1、驱动板块晶圆；2、发光半导体晶圆；3、像素电极；4、tft电极；5、导体层；6、薄膜晶体管；7、发光像素点；8、公共电极；
28.10、偏振转换器；101、遮光板；102、半波片；
29.20、成像单元；201、液晶分子；30、半透半反镜；40、偏振片；
30.50、单色硅基led微显示器；51、红色硅基led微显示器；52、绿色硅基led微显示器；53、蓝色硅基led微显示器；501、图像光源入射光；
31.60、合光元件；61、入光侧；62、出光侧；601、第一棱镜；602、第二棱镜；603、第三棱镜；604、第四棱镜；
32.70、外界实物；701、外界实物光。
具体实施方式
33.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
34.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
35.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
36.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
37.正如背景技术中所记载的，目前，采用反射型微显示器件或透射式lcd作为图像源，需要配合光源使用，体积过大，不适合应用推广。
38.参见图1和图2所示，为了解决上述问题，根据本技术的一个方面，本技术的实施例提供了一种ar显示系统，包括：硅基led微显示单元，用于发射图像光；偏振转换器10，设置于硅基led微显示单元的出光侧，用于将硅基led微显示单元发射的图像光转换为s偏振光，并出射；成像单元20，设置于图像光和外界实物光701的出射路径上，能够通过调节焦距在不同距离成像；偏振分光单元，设置于外界实物70和成像单元20之间，且位于偏振转换器10的出光侧；图像光经过偏振转换器10转换成s偏振光并出射至偏振分光单元，s偏振光经偏振分光单元反射至成像单元20，外界实物光701经过偏振分光单元转换成p偏振光并透射至成像单元20，s偏振光经成像单元20调制后与经过成像单元20透射的p偏振光融合成像；其中，s偏振光与p偏振光的偏振方向相垂直。
39.硅基led微显示单元，能够提供单色或rgb(红(r)、绿(g)、蓝(b))三色的图像，图像光经过偏振转换器10后输出偏振方向一定的s偏振光，s偏振光的偏振方向垂直于入射光跟界面反射光所在的平面；外界实物光701经偏振分光单元出射p偏振光，p偏振光的偏振方向平行于入射光跟界面反射光所在的平面，s偏振光经偏振分光单元被反射。其中p偏振光不受成像单元20调制进入人眼，和被成像单元20调制的s偏振光形成的3d影像进行融合，从而起到增强现实的显示效果。由于图像光源采用硅基led微显示单元，可以直接发光，无需额外光源，使得ar显示系统的体积更小，重量更轻，从而改善使用者的体验，且硅基led微显示单元的具有更高的对比度及亮度，以及更长的使用寿命。
40.参见图1和图2所示，本实施例中偏振分光单元包括半透半反镜30和偏振片40，偏振片40设置于半透半反镜30靠近外界实物70的一侧，通过调整偏振片40的偏振方向，使外界实物光701经偏振片40调整并通过半透半反镜30出射p偏振光，p偏振光出射至成像单元20，而从偏振转换器10出射的s偏振光经半透半反镜30反射进入成像单元20。
41.作为一种可选方式，本实施例中偏振分光单元包括第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜是将两个直角棱镜的斜面进行胶合，形成一个立方体棱柱，在两个直角棱镜的斜面的胶合面处镀有偏振膜，外界实物光701进入第一偏振分光棱镜后，经过该偏振膜后一部分反射，另一部分透射，反射光为s偏振光，透射光为p偏振光。
42.参见图1所示，本实施例中的硅基led微显示单元包括单色硅基led微显示器50；单色硅基led微显示器50和偏振转换器10沿第一方向间隔设置，单色硅基led微显示器50和偏振转换器10的光轴均与第一方向平行，成像单元20的光轴与第二方向平行，第一方向和第二方向垂直；半透半反镜30相对于第一方向倾斜设置。具体地，单色硅基led微显示器50、偏振转换器10分别和成像单元20垂直设置，半透半反镜30倾斜设置于外界实物70与成像单元20之间，且半透半反镜30靠近外界实物70的一侧上粘合有偏振片40，其中，偏振转换器10设置于单色硅基led微显示器50和半透半反镜30之间，通过上述设置，硅基led微显示单元将图像光传输至偏振转换器10转换为s偏振光出射，外界实物光701经偏振片40转换成p偏振光出射，s偏振光经半透半反镜30反射进入成像单元20，p偏振光经半透半反镜30透射进入成像单元20。
43.优选地，单色硅基led微显示器50和偏振转换器10的光轴同轴设置，以使更多的入射光线经过偏振转换器10进行转换。
44.在实际应用中，也可以使用一个rgb三色硅基led微显示器提供图像光。
45.参见图2所示，本实施例中的硅基led微显示单元包括红色硅基led微显示器51、绿色硅基led微显示器52和蓝色硅基led微显示器53；ar显示系统还包括：合光元件60，合光元件60位于偏振转换器10的入光侧，红色硅基led微显示器51、绿色硅基led微显示器52和蓝色硅基led微显示器53分别位于合光元件60的不同入光侧，合光元件60能够将红色硅基led微显示器51、绿色硅基led微显示器52和蓝色硅基led微显示器53发出的单色光进行融合形成图像光；偏振转换器10和合光元件60沿第一方向设置，偏振转换器10和合光元件60的光轴均与第一方向平行，成像单元20的光轴与第二方向平行，第一方向和第二方向垂直；半透半反镜30相对于第一方向倾斜设置。具体地，合光元件60包括多个入光侧和一个出光侧，合光元件60、红色硅基led微显示器51、绿色硅基led微显示器52和蓝色硅基led微显示器53均位于偏振转换器10的入光侧，红绿蓝单色光分别入射到合光元件60不同的入光侧，经过反
射后，从合光元件60的出光侧出射至偏振转换器10。偏振转换器10和成像单元20垂直设置，半透半反镜30倾斜设置于外界实物70与成像单元20之间，且半透半反镜30靠近外界实物70的一侧上粘合有偏振片40，通过上述设置，偏振转换器10将经过合光元件60融合的图像光转换为s偏振光出射，外界实物光701经偏振片40转换成p偏振光出射，p偏振光经半透半反镜30透射进入成像单元20，s偏振光经半透半反镜30反射进入成像单元20。
46.参见图2所示，本实施例中的合光元件60为合色棱镜。合色棱镜能够将rgb(红绿蓝)单色光图像进行组合，形成彩色图像。
47.参见图2所示，本实施例中的合光元件60包括第一棱镜601、第二棱镜602、第三棱镜603和第四棱镜604，第一棱镜601、第二棱镜602、第三棱镜603和第四棱镜604的横截面均为等腰直角三角形，第一棱镜601、第二棱镜602、第三棱镜603和第四棱镜604的顶部相接形成棱柱；棱柱包括两个相对的正方形端面和四个矩形侧面，四个矩形侧面分别为三个入光侧61和一个出光侧62；红色硅基led微显示器51发出的单色光、绿色硅基led微显示器52发出的单色光和蓝色硅基led微显示器53发出的单色光分别射入三个入光侧61，合光元件60的出光侧62位于偏振转换器10的入光侧。其中，横截面为与棱镜长度延伸方向垂直的面。本实施例的合光元件60通过将上述第一棱镜601、第二棱镜602、第三棱镜603和第四棱镜604进行粘合制成，红绿蓝三色单色光分别从三个方向入射，分别经入光侧61反射后，从同一方向出射，从而形成了彩色的图像。
48.参见图3所示，本实施例中的偏振转换器10包括多个第二偏振分光棱镜，多个第二偏振分光棱镜呈一字排列，多个第二偏振分光棱镜的入射面位于同一侧，多个第二偏振分光棱镜的出射面位于同一侧；在多个第二偏振分光棱镜中，每相邻的两个第二偏振分光棱镜中的一个第二偏振分光棱镜的入射面设置有遮光板101，另一个第二偏振分光棱镜的出射面设置有半波片102。具体地，如图3所示，本实施例中偏振转换器10包括九个第二偏振分光棱镜胶合而成，其中，第二偏振分光棱镜由将两个直角棱镜的斜面进行胶合，形成一个立方体棱柱，在两个直角棱镜斜面的胶合面处镀有偏振膜，图像光进入第二偏振分光棱镜后，经过偏振膜后一部分反射，另一部分透射，反射光为s偏振光，透射光为p偏振光，其中，s偏振光反射后再次碰到相邻的第二偏振分光棱镜的两个直角棱镜的斜面的胶合面，经再次反射后至第二偏振分光棱镜的出射面出射，而透射的p偏振光在半波片102的作用下转变为s偏振光出射。
49.与现有技术相比，由于采用偏振转换器10，其包括多个偏振分光棱镜，在每个偏振分光棱镜内的胶合界面处，s偏振光反射，p偏振光透射；s偏振光反射后再次碰到相邻的偏振分光棱镜内的胶合界面，再次反射至偏振分光棱镜的出射面出射；而经偏振分光棱镜内的胶合界面处透射的p偏振光在半波片102作用下转变为s偏振光出射，因此，入射端的光线经过偏振转换器10后，都转换成为s偏振光。图像光经偏振转换器10转换成s偏振光，其转换效率可达到80％，远高于偏光膜40％的转换效率，因而在降低功耗的条件下达到较佳的成像效果。
50.参见图4至5所示，本实施例中的成像单元20为焦距可调的液晶盒。液晶盒采用ecb模式，不加载电压时分子取向一致，加载电压后液晶分子201在0
°
到90
°
之间偏转，由于液晶分子201具有折射率各向异性，利用此性能可以调制经过液晶盒的光线。从图像光源输出的s偏振光经过液晶盒后，由于光在液晶盒内经历的折射率不一样，因而经历的光程差不同，
通过加载在液晶盒上下电极不同的电压分布，液晶盒从中心到边缘的折射率渐变，可以等效成焦距不同的透镜。而外界实物光701经过偏振片40后转换成p偏振光，p偏振光的偏振方向与液晶盒中液晶分子201旋转所在平面垂直，因此不管液晶分子201偏转角度变化，始终不受液晶盒的调制，皆不受液晶盒的调制而直接进入人眼。由于外界实物光701不受液晶盒调制，而图像光源出来的光经过液晶盒调制后会得到像距不同的光，形成3d影像，使用者同时看到外界实物70和图像光源的3d成像，从而起到增强现实的显示效果。
51.参见图4和图5所示，本实施例中的液晶盒包括液晶分子201，不加载电压状态下，光线折射率为ne，加载不同电压状态下，光线折射率不同。本实施例中的成像单元20为液晶盒，图像光源发出的光经过液晶盒后受到调制，此时液晶盒等效成焦距可调的透镜，根据凹透镜成像原理，形成像距不等的虚像，可以在距离人眼的不同距离成像，结合高频率的图像切换，可以实现3d图像的效果。图5为不同空间位置成像的原理图，f、f1、fn为液晶盒在不同位置处形成的焦点，s1和sn分别对应f1、fn的成像位置，图像光源的像a经过液晶盒后，通过调控液晶盒的焦距位置，a，b为液晶盒在加载不同电压分布下f1和fn的焦距，在s1和sn位置形成虚像b,c，图像变换的频率远高过人眼能分辨的频率，因此而实现3d显示。液晶盒的具体工作原理如图5所示，图像光源入射光501偏振方向平行于液晶盒长边，液晶盒中填充了液晶分子201，在预先取向层的作用下，不加载电压时候为平躺状态，折射率为ne，加载不同电压，液晶分子201倾斜角改变，最大倾斜角接近90
°
时候折射率为no，由于不同位置折射率不一样，因而造成光程差不一样，等效于透镜的作用。而外界实物光701偏振方向在图5中与显示平面(显示平面也可称为纸面或者电脑屏幕平面等)垂直，因而不管液晶盒内液晶分子201偏转角度多少，折射率都为no，因而不受液晶盒的调制。
52.参见图6至图8所示，本实施例中的硅基led微显示单元包括：驱动板块晶圆1和发光半导体晶圆2，驱动板块晶圆1设置于发光半导体晶圆2下方，驱动板块晶圆1包括：驱动电路，发光半导体晶圆2刻蚀有发光像素点7，驱动电路与发光像素点7连接。本实施例中硅基led微显示单元为硅基led微显示器件，其制作工艺如图6所示，驱动板块晶圆1用作基板，发光半导体晶圆2粘贴于预先制作好的驱动板块晶圆1上方，再通过半导体制作工艺对发光半导体晶圆2进行像素刻蚀成型，无需采用巨量转移工序。
53.参见图7和图8所示，本实施例中的驱动电路为tft结构电路。驱动电路为预先制作好的驱动led阵列的tft(thin film transistor，薄膜晶体管)结构电路，通过与发光半导体晶圆2贴合后，在发光半导体晶圆2上刻蚀出发光像素点7。其中，发光像素点7的下方是公共电极8，在发光像素点7上方沉积像素电极3，并且在tft器件上方刻蚀小块面积使得tft电极4暴露在外，最后沉积导体层5将tft电极4与像素电极3相连通。如图8所示，在驱动板块晶圆1上方将发光半导体晶圆2进行刻蚀，形成由多个发光像素点7组成的发光led阵列，再通过刻蚀使得像素电极3与tft电极4暴露出来，再通过导体层5的导电作用将像素电极3与tft电极4相连。可以按照需要尺寸进行切割得到本技术硅基led微显示器。
54.根据本技术的又一个方面，本技术的实施例还提供了一种眼镜，包括上述任意一项实施例的ar显示系统。本实施例中的眼镜由于采用了上述的ar显示系统，可以使得眼镜体积更小，重量更轻，从而改善使用者体验；另外产品显示效果也更佳，寿命更长。
55.综上，实施本实施例提供的一种ar显示系统及眼镜，至少具有以下有益技术效果：由于图像光源采用硅基led微显示单元，可以直接发光，无需额外光源，能大大减小ar眼镜
的体积，使重量更轻，从而改善使用者的体验，且硅基led微显示单元的具有更高的对比度及亮度，以及更长的使用寿命，同时，由于光路中使用偏振转换器10，相比偏光膜的40％光效，使用偏振转换器10后光效可达到80％。
56.以上仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。