一种偏振反射片、增强现实近眼显示系统及头戴显示设备的制作方法

本发明属于近眼显示系统领域，更具体为应用虚拟跟现实结合领域，涉及应用于虚拟跟现实结合显示系统中的偏振反射片、近眼显示系统以及采用虚拟跟现实结合近眼显示系统制备的头戴显示设备。

背景技术：

在近眼显示设备中，近眼显示光学系统是核心组成部分。近眼显示装置通过特殊的光学装置可以将图像清晰地投射在人的视网膜上，在用户眼前呈现出虚拟大幅面图像，由此应用于虚拟现实或增强现实。增强现实即是在看到虚拟图像的同时也会看到现实场景。如今市场上已经有一些AR眼镜产品，如微软的产品、以色列的Lumus等，但其制造成本极高。

由于各种因素的相互制约，目前的系统仍无法满足对于视场大(30度左右或以上)、像质好、体积小、重量轻、成本低这几项因素的理想结合，某些需要环境透视(see-through)的系统(如增强现实AR)更是进一步提高了系统设计的难度。现有的系统可以做到质量较轻，但制造成本高昂，因此导致市场售价也比较贵，普通人根本无法接受此价格。市面上的AR眼镜基本的原理是：自由曲面棱镜投影、全息波导片、半透膜迭代波导片等制成，这些镜片的制造都是极其复杂，要求工艺极高；而且视场都不能做大，一般都小于30°。

技术实现要素：

基于上述现有技术存在的一些缺陷，本发明第一个发明目的在于提供一种应用于增强现实视觉系统中的偏振反射片；由于该偏振反射片是关键技术，它能够对显示屏发出的光进行选择性的透射反射，同时也可对自然光的高效透过率；本发明的第二个发明目的就应用了和第一个发明目的中相关的偏振反射片，因此本发明的二个发明目在于提供一种增强现实近眼显示系统，它具有低成本、大视场、高像质、高透过率的优点；本发明的第三个发明目的在于提供一种头戴显示设备，它应用了增强现实近眼显示系统，同样具有低成本、大视场、高像质的优点。

上述偏振反射片、增强现实近眼显示系统和头戴显示设备技术上相互关联，属于同一个发明构思。

为了实现上述第一个发明目的，本发明采用如下技术方案：

1、一种应用于增强现实视觉系统中的偏振反射片，其特征在于：

所述偏振反射片是正反面只透过偏振方向跟自身方向相同的光，反射跟自身偏振方向垂直的光的偏振反射片；或者是，一面反射且另一面透射的偏振反射片，且偏振反射片一面反射跟自身偏振方向垂直的光，另一面透射任何方向的光；

所述偏振反射片一面应用于增强现实视觉系统的近眼面，另一面应用于增强现实视觉系统的背眼面。

2、根据上述方案1所述的一种应用于增强现实视觉系统中的偏振反射片，其特征在于：所述偏振反射片具有如下要求：光从背眼面入射时透过率满足要求：T≥60％；从近眼面入射时反射率满足：F≥60％。

3、根据上述方案1或2所述的一种应用于增强现实视觉系统中的偏振反射片，其特征在于：偏振反射片由偏振反射膜、增透膜和平面基板组成，偏振反射膜和增透膜粘贴在所述平面基板上，增透膜粘贴在平面基板的一面，偏振反射膜粘贴在平面基板的另一面。

为了实现上述第二个发明目的，本发明采用如下技术方案：

4、一种增强现实近眼显示系统，其特征在于，包括：

-用于构建虚像的显示屏；

-近眼面反射、背眼面透射的偏振反射片；以及

-凹面反射镜；

其中：

显示屏是发出偏振光的显示屏；

位于眼视觉正前方的远近方向定义为轴向方向，位于近眼区域围绕轴向方向定义为周向方向上；

显示屏的显示面对应偏振反射片的背眼面，凹面反射镜反射面对应偏振反射片的近眼面；凹面反射镜反射面与所述显示屏显示面对应，显示屏位于近眼区域的周向方向上，且偏振反射片斜向设置于显示屏和凹面反射镜之间，使得：

偏振反射片轴向远侧区域是实景环境，偏振反射片近侧区域是近眼区域；且偏振反射片位于凹面反射镜与显示屏之间。

5、根据上述方案4所述的一种增强现实近眼显示系统，其特征在于：增强现实近眼显示系统是双目近眼显示系统，所述显示屏、偏振反射片的数量有两块，所述凹面反射镜是双凹面反射镜；两块偏振反射片分别斜向对应设置在双目之前侧；两块偏振反射片的远端均靠近双目中间，两块偏振反射片的近端分别靠近双目左右两外侧；双凹面反射镜竖立于双目中间，两块显示屏分别位于双目的左右两外侧。

6、根据上述方案4所述的一种增强现实近眼显示系统，其特征在于：所述显示屏、偏振反射片的数量至少为一块，显示屏位于眼上方且显示方向朝下；对应地，凹面反射镜位于眼下方且反射面朝上。

7、根据上述方案4所述的一种增强现实近眼显示系统，其特征在于：所述偏振反射片是背眼面透射、近眼面反射偏振态偏振光的偏振反射片；所述显示屏显示的光属于所述偏振态范围内的偏振光。

8、根据上述方案4所述的一种增强现实近眼显示系统，其特征在于：所述偏振反射片具有如下要求：光从背眼面入射时透过率满足要求：T≥60％；从近眼面入射时反射率满足：F≥60％。

9、根据上述方案4所述的一种增强现实近眼显示系统，其特征在于：所述偏振反射片通过只选择透过跟自身偏振方向相同的光、反射跟自身偏振方向垂直的光的偏振反射膜制成；

增强现实近眼显示系统还包括：

-用于改变光的偏振方向的波片或者相位延迟器；

所述波片或者相位延迟器加至在所述凹面反射镜反射面之前；

以使改变光的偏振方向后的偏振光与偏振反射片自身偏振方向垂直，并在偏振反射片中被反射入眼。

10、根据上述方案9所述的一种增强现实近眼显示系统，其特征在于：所述波片或相位延迟器的选择需满足相位延迟：π/8～3π/8。

11、根据上述方案10所述的一种增强现实近眼显示系统，其特征在于：所述波片或相位延迟器的相位延迟为：π/4。

12、根据上述方案10所述的一种增强现实近眼显示系统，其特征在于：凹面反射镜的反射半径在R在50-200mm之间。

13、根据上述方案12所述的一种增强现实近眼显示系统，其特征在于：凹面反射镜的反射半径在R是90mm-150mm。

14、根据上述方案9所述的一种增强现实近眼显示系统，其特征在于：所述偏振反射片包括：

-平面基板；

-只选择透过跟自身偏振方向相同的光、反射跟自身偏振方向垂直的光的偏振反射膜；所述偏振反射片通过所述偏振反射膜贴在平面基板的近眼面制成。

15、根据上述方案14所述的一种增强现实近眼显示系统，其特征在于：所述偏振反射片还包括增透膜，增透膜贴在背眼面。

16、根据上述方案14或15所述的一种增强现实近眼显示系统，其特征在于：所述平面基板的的要求包括：

透过率：T≥60％；

面型精度PV值：＞40um；

折射率：Nd＝1.4～1.7；

厚度：t＝0.5mm～3mm。

为了实现上述第三个发明目的，本发明采用如下技术方案：

17、一种包含上述方案4所述增强现实近眼显示系统的头戴显示设备，其特征在于：一种包含上述增强现实近眼显示系统的头戴显示设备，头戴显示设备包括头戴支架，头戴支架对应于人眼位置设有目镜安装通孔；偏振反射片安装于目镜安装通孔内，显示屏装于头戴支架周向外围位置，凹面反射镜对应所述显示屏，并安装于头戴支架上。

18、根据上述方案17所述的头戴显示设备，其特征在于：头戴显示设备是双目头戴显示设备，头戴支架对应于人双眼位置设有一对目镜安装通孔；显示屏、偏振反射片的数量有两块，凹面反射镜是双凹面反射镜；两块偏振反射片分别斜向对应设置在两个目镜安装通孔上；两块偏振反射片的远端均靠近一对目镜安装通孔之间的中间位置，两块偏振反射片的近端分别靠近目镜安装通孔的左右两外侧；双凹面反射镜竖立于一对目镜安装通孔之间的中间位置，两块显示屏分别位于一对目镜安装通孔的左右两外侧。

19、根据上述方案17所述的头戴显示设备，其特征在于：头戴显示设备是双目头戴显示设备，所述显示屏、偏振反射片的数量为一块，显示屏位于眼上方且显示方向朝下；对应地，凹面反射镜位于眼下方且反射面朝上。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的的偏振反射片、增强现实近眼显示系统以及头戴显示设备，最终使得AR眼镜等产品价格低廉、可被普通人接受的一种产品，实现人人可以体验AR产品，同时具有超高的成像质量。具体地：

(一)针对本发明的偏振反射片，它不同于普通的偏振片；普通的偏振片对不同于本身偏振状态的光进行吸收，而本发明中的偏振片具有将不同于本身偏振状态的偏振光反射出去，因此更确切的说叫偏振反射片；当光从反面入射时，透过率较高，不表现出偏振反射特点；当垂直于此偏振片偏振态的偏振光从正面入射时，此偏振片会将此光反射出去，利用这个特点制作了此偏振片。只需要它自身的反射偏振方向和显示屏发出的偏振光方向垂直，就可以完美地应用在增强现实近眼显示系统、头戴显示设备以及具体地AR眼镜中，成本非常低，而且效果非常好。

(二)针对本发明的增强现实近眼显示系统以及头戴显示设备，具有如下优点：

1)本发明增强现实近眼显示系统以及头戴显示设备，通过光学镜片将屏幕像成像在明视距离之外，达到很好的视觉效果，而不是简单的平面镜反射；而且光学镜片使用结构简单的偏振反射片，不仅达到很优秀的成像效果，同时还降低了成本。

2)本发明增强现实近眼显示系统以及头戴显示设备，通过一种简单的穿透式光路结构形式、达到超高质量的成像效果，不会带来额外的离周像差等；同时由于其光路结构简单，因此具有超低成本的优势、极高的量产性，可以满足大众使用。

3)本发明的增强现实近眼显示系统以及头戴显示设备，还充分利用屏幕光的偏振性特点，通过偏振膜系的巧妙配合，达到超高的光能量利用率；同时，基板材料选择宽松，普通光学塑料、光学玻璃都可使用。

附图说明

图1：本发明实施例1的结构示意图；

图2：本发明实施例2的结构示意图；

图3：本发明实施例3的结构示意图；

图4：实施例1、3中偏振反射片的结构示意图；

图5：实施例2中偏振反射片的结构示意图；

图6：实施例4中头戴显示设备的结构示意图；

图7：实施例5中头戴显示设备的结构示意图。

具体实施方式

以上是对本发明技术方案的举例详细说明，不能作为本发明保护范围的限定。

实施例1：如图1-4所示的增强现实近眼显示系统，具体地，它是一个双目的增强现实近眼显示系统，它包括两块能发出偏振光的显示屏1、两块偏振反射片2和一块双凹反射镜3a。显示屏1用于构建虚像，两块偏振反射片2用于处理光透射和反射，双凹反射镜3a用于反射。上述偏振反射片2主要由偏振反射膜20、增透膜22、平面基板2a组成，其中平面基板2a在中间，偏振反射膜20在近眼侧，增透膜22在背眼侧。此结构充分考虑了杂散光的消光处理，同时机械结构上也可以做一定的消光螺纹等处理，即可达到非常完美的成像效果。

其中的偏振反射片2是正反面只透过偏振方向跟自身方向相同的光，反射跟自身偏振方向垂直的光的偏振反射片2；或者是，一面反射且另一面透射的偏振反射片2，且偏振反射片2一面反射跟自身偏振方向垂直的光，另一面透射任何方向的光。上述的偏振反射片2一面应用于增强现实视觉系统的近眼面，另一面应用于增强现实视觉系统的背眼面。

如图1所示，我们定义位于眼视觉正前方的远近方向定义为轴向方向A，位于近眼区域围绕轴向方向定义为周向方向B上。如图1所示，该定义主要针对单眼定义。

对于双目的增强现实近眼显示系统而言，两块偏振反射片2分别斜向对应设置在双目之前侧。因为对称，依每只眼看，偏振反射片2虽然倾斜设置，但是轴向方向A大致穿于偏振反射片2中心。而双凹反射镜3a位于竖立于双目中间，两块显示屏1分别位于双目的左右两外侧。显示屏1的显示面对应偏振反射片2的背眼面，双凹面反射镜3a反射面对应偏振反射片2的近眼面；既两块偏振反射片2的远端均靠近双目中间，两块偏振反射片2的近端分别靠近双目左右两外侧。

偏振反射片2轴向远侧区域是实景5环境，偏振反射片2近侧区域是近眼区域。当然此时且偏振反射片2必然位于凹面反射镜3与显示屏1之间。

上述周向方向B是围绕轴向方向的，简单地说是近眼外周围的前、后、左、右区域。如本实施例的显示屏1就在双目左右两外侧。轴向方向A的定义是针对单眼而言，因此双凹面反射镜3a的相当于位于左眼的右侧部，既两眼的中间。

上述双目中的“目”和“眼”含义相同。

具体光路传播形式：

虚拟光部分：显示屏1屏幕发出的光穿过偏振反射片2后达到双凹面反射镜3a一面，双凹面反射镜3a将光线反射回来经过偏振反射片2，由于此光的偏振性跟偏振反射片2的偏振性垂直，反射后基本上所有的光都会进入人眼4，极大的提高了屏幕光的利用率；

其中双凹面反射镜3a的作用为增加虚像距离，使虚像在人眼明视距离之外＞25.4cm，这样人眼看着较舒服，否则人眼根本看不清楚屏幕上显示的内容；其主要受表面曲率影响，经模拟显示，当双凹面反射镜3a的反射面的曲率半径R＝125mm时虚像正好在人眼明视距离处，具体半径可根据要求进行设计。而偏振反射片2的作用为将屏幕的光线反射进入人眼。

一般而言，R在90mm-150mm之间，距离比较好。

现实光路：现实场景5的光经过偏振反射片2背眼面直接进入人眼4，极大的提高了透过率。

本发明的偏振反射片2不同于现有的普通偏振片；普通的偏振片对不同于本身偏振状态的光进行吸收，而本发明中的偏振反射片2具有将不同于本身偏振状态的偏振光反射出去。当光从反面入射时，透过率较高，不表现出偏振反射特点；当垂直于此偏振片偏振态的偏振光从正面入射时，此偏振片会将此光反射出去，利用这个特点制作了此偏振反射片2才是本发明所需要的。偏振反射片具有如下要求：光从背眼面入射时透过率满足要求：T≥60％；从近眼面入射时反射率满足：F≥60％。

如图4所示，本发明的上述偏振反射片2主要由偏振反射膜20、增透膜22、平面基板2a组成，其最大的优点在于：在保证大视场角高清晰、高能量利用率的前提下，具有超低的成本优势。现在市面上的AR眼镜所采用的增强现实近眼显示系统，主要的成本受限于镜片的价格，无论是波导片还是自由曲面镜片，其制作成本高昂；本发明使用的都是极其廉价的原材料：平面基板选择较为宽松，只要透过率达到要求，表面精度达到要求即可使用；增透膜22和偏振反射膜20都选用直接贴膜的方式，将其黏贴到平面基板2a上面；而本发明的双凹反射镜3a则采用树脂注塑完成但不限于树脂，任何光学塑料或者光学玻璃都可使用，因为我们主要应用的是其表面，对于材料无要求，因此更加宽了选择范围。其中优选地，平面基板2a的要求需满足如下参数：

透过率：T≥75％；

面型精度PV值：＞30um；

折射率：Nd＝1.4～1.7；

厚度：t＝0.5mm～3mm。

本实施例的偏振反射膜20是背眼面针对与自身偏振态相同的偏振光或所有光单项透射，其中近眼面反射与其自身垂直的偏振光。

实施例2：如图3、5所示，该实施例1不同的在于：本实施例所采用的偏振反射片2采用不同的方式制作，当我们不采用其它需要修改偏振方向的偏振反射膜20制作时，由于既要求光能够在背眼面透射，又要求在近眼面被反射，此时就要求配合配合波片21等相位延迟器使用。原因在于，此方法制作的普通的偏振反射膜只有一个偏振态，即市面上普通偏振反射膜只选择透过跟自身偏振方向相同的光，反射跟自身偏振方向垂直的光，并没有偏振光从正面或反面入射透过率和反射率不同的特点。用此种普通偏振反射膜时，需要根据在凹面反射镜前加入波片或者其他相位延迟器来改变光的偏振方向，否则光会直接穿过偏振反射片射到屏幕上，而不是反射进入人眼4；而加入了波片等相位延迟器，改变了光的偏振方向，当此偏振光打到偏振反射片上后会反射进入人眼，如图2所示，其中，波片或相位延迟器的选择需满足相位延迟：π/8～3π/8，最优选择π/4。

本实施例2除了选择了普通的且两面都只选择透过跟自身偏振方向相同的光，反射跟自身偏振方向垂直的光的普通偏振反射膜之外，还在双凹面反射镜3a上加入一用于改变或延迟光π/8～3π/8相位的波片21或者相位延迟器之外，其余重复实施例1。

实施例3：

如图3所示，增强现实近眼显示系统，它包括一块发出偏振光的显示屏、一块偏振反射片2、两块凹面反射镜3。此偏振反射片2的组成跟实施例1完全相同。

发出偏振光的显示屏1的位置处于近眼周向的上方，显示屏1可以是覆盖2眼的长条形显示屏，两块凹面反射镜3分别位于显示屏1相对于的下方，当然两块凹面反射镜3也可以连为一块长条形的，但是效果不如分开的好。偏振反射片2斜向设置，既偏振反射片2的远端均靠近凹面反射镜3外端，偏振反射片2的近端靠近显示屏1的内端。

上述偏振反射片2轴向远侧区域是实景5环境，偏振反射片2近侧区域是近眼区域；当然此时且偏振反射片2必然位于凹面反射镜与显示屏1之间。显示屏1的显示面对应偏振反射片2的背眼面，凹面反射镜3反射面对应偏振反射片2的近眼面。

上述两块凹面反射镜3的作用为使显示屏的像成像在人眼明视距离之外，两块凹面反射镜分别对应左右眼。同时人眼可透过偏振片看到外面的景物。

实施例4：如图6所示，利用实施例1的增强现实近眼显示系统制备的头戴显示设备，它头戴显示设备包括头戴支架，头戴支架对应于人眼位置设有目镜安装通孔；偏振反射片2安装于目镜安装通孔内，显示屏1装于头戴支架周向外围位置，凹面反射镜3对应所述显示屏1，并安装于头戴支架上。头戴显示设备是双目头戴显示设备，头戴支架对应于人双眼位置设有一对目镜安装通孔。显示屏1、偏振反射片2的数量有两块，凹面反射镜3是双凹面反射镜3a。两块偏振反射片2分别斜向对应设置在两个目镜安装通孔上；两块偏振反射片2的远端均靠近一对目镜安装通孔之间的中间位置，两块偏振反射片2的近端分别靠近目镜安装通孔的左右两外侧。双凹面反射镜竖立于一对目镜安装通孔之间的中间位置，两块显示屏1分别位于一对目镜安装通孔的左右两外侧。

其中屏幕的大小决定整个系统的厚度，对于消费类头戴显示设备，整个系统越薄越好，而屏幕越小，视场角越小，因此对于产品需要在屏幕尺寸、系统厚度、视场角之间平衡。对于单目，屏幕的大小一般满足：对角线长＝0.5英寸～3.8英寸；若双屏在一起如手机屏幕，屏幕对角线大小满足：对角线长＝4.7英寸～7英寸。

头戴支架将显示屏1、偏振反射片2和双凹面反射镜3a固定之后，为了确保有很好的显示效果，头戴支架的形状要确保：显示屏1的显示面至偏振反射片2之间应当是无障碍的，凹面反射镜3的反射面至偏振反射片2之间也应当是无障碍。

实施例5：如图7所示，利用实施例3的增强现实近眼显示系统制备的头戴显示设备，头戴显示设备包括头戴支架，头戴支架对应于人眼位置设有目镜安装通孔；偏振反射片2安装于目镜安装通孔内，显示屏1装于头戴支架周向外围位置，凹面反射镜3对应所述显示屏1，并安装于头戴支架上。头戴显示设备是双目头戴显示设备，显示屏1、偏振反射片2的数量为一块，显示屏1位于眼上方且显示方向朝下。对应地，凹面反射镜3位于眼下方且反射面朝上。如实施例3，这里凹面反射镜3数量可以是两块，目的是为了发射不相互干扰。

头戴支架将显示屏1、偏振反射片2和凹面反射镜3固定之后，为了确保有很好的显示效果，头戴支架的形状要确保：显示屏1的显示面至偏振反射片2之间应当是无障碍的，凹面反射镜3的反射面至偏振反射片2之间也应当是无障碍。