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基于Micro LED的AR投影组件
技术领域
本实用新型涉及光学领域，更进一步地涉及一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，简称AR)，是将真实世界信息和虚拟世界信息实时叠加到同一个画面或空间的新技术。通过将计算机生成的提示信息、虚拟物体或虚拟场景叠加到真实世界中，实现超越现实的感官体验。由于具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，增强现实在数据模型的可视化、军事武器研发与制造、飞行导航、医疗培训、远程控制、娱乐与艺术等领域均有广泛的应用。
增强现实技术中的显示装置，根据显示原理分为光学透射式和视频透射式两大类。由于分辨率高、无视觉偏差、无时延以及更符合社交习惯等优势，光学透射式增强现实显示系统已成为主流。
对于显示装置而言，光源和光线传输路径是同样重要的。光源元件的图像信息清晰有效的情况下，光线被可靠地传输而无损耗或无干扰，最终的图像才能有最佳的效果。目前很多增强现实显示装置(AR)都采用直接显示图像的方式，用户能从光源接收多少信息还要取决于观察位置。特别是，在类似于增强现实显示(AR)的光学使用场合中，外界的环境光干扰很多，光学设计就尤为重要。
光学透射式的增强现实显示方案多种多样，目前较为常见的是基于平面组合器(flat combiner)、自由曲面元件(虫眼)、自由棱镜组合器以及鸟浴(Bird Bath) 型的设计方案。平面组合器型AR眼镜光学设计原理是将LCD、OLED等显示源发出的光经投影镜头准直后投射到具有一定透反比的分光镜上，该分光镜会将显示源投射的光线反射至人眼中。同时，人眼也可以通过该分光镜看到外面的空间。
自由曲面元件(虫眼)型AR眼镜采用了相对简单的光学设计，主要组成部分有显示源，和带反射/透射(R/T)值的曲面分光镜。显示源发出的光线直接投射至凹面镜合成器，并且反射回眼内。显示源的理想位置居中，并与镜面平行。从技术上讲，理想位置是令显示源覆盖用户的眼睛的位置，所以大多数设计都将显示器移至“轴外”，也就是设置在额头上方，但是存在凹面镜上的离轴显示器存在畸变，需要在软件/显示器端进行修正的缺点。
自由棱镜组合器型AR眼镜与自由曲面元件型AR眼镜原理相类似，主要组成部分有显示源，和带反射/透射(R/T)值的自由组合棱镜组。显示源发出的光线直接射至棱镜组后被反射回眼内。这类设计最大的缺点是体积相对较大，重量也相对较重。若以LCoS、DLP等装置作为图像源，外形会更加笨拙，佩戴者的体验感较差。
鸟浴(Bird Bath)型AR眼镜光学设计原理是将来自显示源的光线投射至分光镜，该分光镜具有反射和透射值(R/T)，允许光线以R的百分比进行部分反射，而其余部分则以T值传输。同时具有R/T允许用户同时看到现实世界的物理对象以及由显示器生成的数字影像。从分光镜反射回来的光线弹到合成器上，可以把光线重新导向眼睛。这种设计方案的体积尽管相对于自由棱镜组合器型 AR眼镜小了一点，但是整体体积依旧很大。
上述传统AR显示装置存在以下至少一个缺点。第一体积都较大，外观笨拙并且重量较大，用户长时间佩戴会引起不适。第二，在引入透反分光镜后，很难均衡透射和反射比值，若增大透射比，图像源反射至眼睛的光线太少会导致图像不清晰；若增大反射比，外界能够进入人眼的光线又太少，如佩戴“墨镜”一般。因此体积大和亮度低两个技术问题成为AR显示装置的两座主要大山。图像源作为AR显示装置的重要组成部分，要想解决传统AR显示装置体积大和亮度低的问题，体积小，高亮度，低功耗的图像源是不可缺少的。
目前增强现实显示装置使用的图像源大多为透射式液晶显示器(LCD)、数字光处理器(DLP)、硅基液晶(LCoS)、有机发光二极管(OLED)和微机电扫描振镜(MEMS ScanningMirror)。但上述显示器件作为增强现实系统的微显示器或多或少都有一些局限性。比如LCoS、DLP、MEMS Scanning Mirrror等被动式的投影方式，需要使用外加光源，使得模组体积不易进一步缩小，成本也较高。 LCD、OLED还存在效率和亮度较低、功耗较大的问题，无法适应增强现实的一些应用场景。并且OLED烧屏也还是个很大的问题，因为有机材料的使用寿命有限，稳定性也十分堪忧。上述问题的存在极大地影响了增强现实装置的光学性能和体验效果，限制了增强现实技术的进一步发展和应用。
因此，为了增强现实技术的进一步发展和应用需要对传统增强现实显示装置进行改进。
发明内容
本实用新型的一个目的在于提供一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件，其采用Micro LED作为图像源，不必使用外加光源，光学系统简单。
本实用新型的另一个目的在于提供一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件，适于平面组合器(flat combiner)型、自由曲面元件(虫眼)型、自由棱镜组合器型或者鸟浴(Bird Bath)型等等不同的AR显示装置类型的装置。
本实用新型的另一个目的在于提供一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件，其能够提供高亮度的图像显示，从而提供可靠的图像信息予用户。
本实用新型的另一个目的在于提供一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件，适于被集成于眼镜式的设备，减少对外界光线进入人眼的影响，无妨对外界的观察。
本实用新型的另一个目的在于提供一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件，适合独立式或嵌入式地设置于眼镜式设备，并被有线或无线地控制而输出图像画面。
本实用新型的另一个目的在于提供一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件，利用MicroLED作为发光源，实现优质图像的显示，并且稳定性高，适合生活日常或者工业环境使用。
本实用新型的另一个目的在于提供一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件，其配合投影镜头或者光学器件能够充分地发挥显示图像的高质量的优势，减少在传输过程中的损耗。
本实用新型的另一个目的在于提供一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件，其能够实现全彩图像的发出与传输，具有较广的应用适应场合。
本实用新型的另一个目的在于提供一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件，其能够利用单色的发光源实现全彩图像的输出，降低成本并简化结构。
本实用新型的另一个目的在于提供一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件，其降低多次反射所带来的光线损失，减弱图像外形的笨拙感。
本实用新型的另一个目的在于提供一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件，充分利用MicroLED的自发光、亮度高、功耗低、解析度与色彩饱和度高、使用寿命长的优势，有效解决了现有装置的体积大，难均衡透反比值等问题。
本实用新型的另一个目的在于提供一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件，其采用Micro LED作为图像源，相较于传统AR显示装置具有更小的体积。
本实用新型的另一个目的在于提供一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件，其采用Micro LED作为图像源，与传统AR显示装置相比具有更高的亮度和更低的功耗。
本实用新型的另一个目的在于提供一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件，其功耗低，节约能源。
本实用新型的另一个目的在于提供一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件，与传统AR显示装置相比，解析度与色彩饱和度较高。
本实用新型的另一个目的在于提供一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件，与传统AR显示装置相比，损耗较低，寿命长。
本实用新型的另一个目的在于提供一种基于Micro LED的AR显示装置及其投影组件，其结构简单、制造成本低。
相应地，为了实现以上至少一个发明目的，本实用新型提供一种基于Micro LED的AR投影组件，其包括：
至少一显示元件，其采用Micro LED，用于发出图像光线，其中所述显示元件的数量是至少两个，其中至少一个是单色显示元件；和
一合光元件，被设置在多个所述显示元件之间，用于对至少两个所述显示元件所发出的光线进行合光。
根据一些实施例，所述合光元件是合色棱镜。
根据一些实施例，所述合光元件是一个镀有薄膜的平面光学元件。
根据一些实施例，所述合光元件是由带有镀膜的棱镜粘合制成。
根据一些实施例，所述显示元件的MicroLED的配置选自组合：一个三色MicroLED、至少三个单色MicroLED、至少一个双色MicroLED与相配合的一个单色MicroLED。
根据一些实施例，所述显示元件包括三个单色MicroLED，所述合光元件对一部分所述单色MicroLED发出的光透射并剩余部分所述单色MicroLED发出的光反射以使所述三个单色MicroLED发出的光经所述合光元件后形成全彩图像光线。
根据一些实施例，所述合光元件包括具有镀膜的四个直角棱镜，并且形成相互垂直的两对角面，其中两个所述单色MicroLED分出的光分别到达所述两对角面并被反射，另一所述单色MicroLED被所述直角棱镜透射。
根据一些实施例，所述显示元件包括一个双色MicroLED与相配合的一个单色MicroLED，所述合光元件对所述单色MicroLED发出的光透射并将所述双色 MicroLED发出的光反射以使所述显示元件发出的光经所述合光元件后形成全彩图像光线。
根据一些实施例，所述显示元件包括一个双色MicroLED与相配合的一个单色MicroLED，所述合光元件将所述单色MicroLED发出的光反射并将所述双色 MicroLED发出的光透射以使所述显示元件发出的光经所述合光元件后形成全彩图像光线。
根据一些实施例，所述合光元件包括具有镀膜的平面光学元件，其与所述双色MicroLED和所述单色MicroLED分别呈45°和-45°放置。
根据一些实施例，其进一步包括一投影镜头，所述投影镜头用于将所述显示元件所发出的光线准直。
根据一些实施例，所述一投影镜头包括两相互叠层放置的凸透镜，两凸透镜用于对所述基于显示元件所发出的光线进行准直。
通过对随后的描述和附图的理解，本实用新型进一步的目的和优势将得以充分体现。
本实用新型的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。
附图说明
图1是根据本实用新型的第一优选实施例的基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法的结构示意图。
图2是根据本实用新型的上述优选实施例的基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法的结构示意图。
图3是根据本实用新型的上述优选实施例的基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法的结构示意图。
图4是根据本实用新型的第二优选实施例的基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法的结构示意图。
图5是根据本实用新型的上述优选实施例的基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法的结构示意图。
图6是根据本实用新型的第三优选实施例的基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法的结构示意图。
图7是根据本实用新型的第四优选实施例的基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法的结构示意图。
图8是根据本实用新型的第五优选实施例的基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法的结构示意图。
图9是根据本实用新型的上述优选实施例的基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法的结构示意图。
图10A是根据本实用新型的上述优选实施例的基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法的合色棱镜的平面结构示意图。
图10B是根据本实用新型的上述优选实施例的基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法的合色棱镜的三维结构示意图。
图10C是根据本实用新型的上述优选实施例的基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法的三色Micro LED的光谱分布示意图。
图10D是根据本实用新型的上述优选实施例的基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法的合色棱镜的A表面膜层波长与反射率的对应关系示意图。
图10E是根据本实用新型的上述优选实施例的基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法的合色棱镜的B表面膜层波长与反射率的对应关系示意图。
图11是根据本实用新型的上述优选实施例的基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法的具体应用的整体示意图。
图12是根据本实用新型的上述优选实施例的基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法的应用场景示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本实用新型的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“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是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
参考说明书附图1至图10E，本实用新型所提供的基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法被阐述，其采用Micro LED作为图像源，不必使用外加的光源，光学系统结构简单，与传统AR显示设备相比具有更小的体积和更高的亮度，并且成本较低，对AR显示装置的进一步发展和应用具有十分重要的意义。
值得一提的是，在本实用新型中将Micro LED与平面组合器(flat combiner) 型AR眼镜、自由曲面元件(虫眼)型AR眼镜、自由棱镜组合器型AR眼镜以及鸟浴(Bird Bath)型等AR眼镜相结合，充分利用Micro LED的自发光、亮度高、功耗低、解析度与色彩饱和度高、使用寿命长的优势，有效解决了上述等类型AR眼镜的体积大，难均衡透反比值等问题。实现了一类高亮度、低功耗、体积小、稳定性好的单色或全彩增强现实显示装置。
由于目前Micro LED微显示器的发展问题，部分Micro LED微显示器可以显示RGB三色全彩色图像。也有一部分Micro LED微显示器只能显示R、G、B 单色或者双色图像，因此本实用新型设计出了将三个单色Micro LED微显示器照射至同一个棱镜后进行合色，将此类Micro LED微显示器组命名为多复合型 Micro LED微显示屏组。针对部分Micro LED微显示器可以同时显示RGB中其中两个颜色，可以将双色Micro LED微显示器和一块单色MicroLED微显示器同时照射至同一个棱镜后进行合色，将此类Micro LED微显示器组命名为双复合型Micro LED微显示屏组。例如：双色Micro LED微显示器可显示的颜色为红色(Red)和绿色(Green)，可以将单色可显示蓝色(Blue)的Micro LED微显示器与该双色Micro LED微显示器照射至同一个棱镜中进行混合叠加，既可以得到真彩色图像。
为进一步说明该情况，以复合型Micro LED微显示器组与平面组合器(flatcombiner)型AR眼镜组合为例，该复合型Micro LED微显示器组包括双复合与多复合两种结构，将会在具体实施方式中进行进一步介绍。复合型Micro LED 微显示器组亦可适用于与自由曲面元件(虫眼)型AR眼镜、自由棱镜组合器型 AR眼镜、鸟浴(Bird Bath)型AR眼镜组合等各类AR眼镜组合
具体的，参考说明书附图1和图2，本实用新型所提供的第一优选实施例的所述基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法被阐述，在所述第一优选实施例中，将Micro LED应用于平面组合器(flat combiner)型AR眼镜中，包括但不限于图中所描述的各类平面组合器(flat combiner)型AR眼镜中。
在所述第一优选实施例中，所述基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法包括一显示元件10和一传输元件20，所述传输元件20包括一投影镜头21以及一分光镜22。所述显示元件10用于发出光线，所述显示元件10所发出的光线经过所述投影镜头21进行聚焦或者准直后被所述分光镜22反射至人眼。
进一步的，所述显示元件10是Micro LED微显示屏，所述Micro LED微显示屏发出的光线，该光线可以是RGB单色光，也可以是RGB混合后的全彩色光线。Micro LED为LED微缩化和矩阵化技术,指的是在一个芯片上集成的高密度细小尺度的LED阵列，其最大的优势在于所发出的光线具有高亮度，高对比度和低功耗。所述Micro LED微显示屏用于提供高亮度、高对比度的单色或者RGB 图像。
所述投影镜头21可以是一片或多片透镜，或者是反射光学元件和透射光学元件的组合等，用于对所述显示元件10发出的光线经投影镜头21进行聚焦或者准直，将显示元件10出射的光束准直为平行光束，与显示元件10共同组成光机投影器。
所述分光镜22是具有一定透反比的分光镜22，透射比可以通过在表面上镀不同的膜来实现。分光镜22亦可分为平面型分光镜22和分光棱镜，它的作用是将显示元件10发出的光反射至人眼，同时还可以让人眼可以看到外界的空间。参考说明书附图1，所述分光镜22为平板型分光镜22，用于将投影镜头21准直后的光线反射至人眼。参考说明书附图2，其中所述分光镜22为分光棱镜，用于将投影镜头21准直后的光线反射至人眼。
可以理解的是，平板型分光镜22相对于分光棱镜具有更轻的重量和更小的体积，优选的，所述分光镜22被实施为平板型分光镜22。
在所述第一优选实施例中，所述Micro LED微显示屏发出的光经投影镜头
21准直后投射到分光镜22，再经由分光镜22反射至人眼中，并且外部光线亦可透过分光镜22进入人眼。
参考说明书附图3，其中所述Micro LED微显示屏是RGB全彩色Micro LED 显示器，其具体参数如表1。为了达到高分辨率目的，采用成本较高的矽基板驱动方式。
表1
参考说明书附图3，所述投影镜头21包括两透镜，并且两透镜均是凸透镜，两所述凸透镜组成一透镜组，起到聚光和准直的作用。所述分光镜22是具有一定透反比的分光镜22。被所述分光镜22反射的光线得以被照射至人眼的瞳孔。
表2
参考说明书附图3，所述Micro LED微显示屏所发出的光线经过两所述凸透镜头准直后被投射到所述分光镜22上，再经过所述分光镜22反射至人眼中。外部光线亦可透过分光镜22进入人眼。上表2为部分具体设计参数。
参考说明书附图4和图5，本实用新型所提供的第二优选实施例的所述基于 MicroLED的AR显示装置及其显像方法被阐述，在所述第二优选实施例中，将 MicroLED应用于自由曲面元件(虫眼)型AR眼镜中，包括但不限于图中所描述的各类自由曲面元件(虫眼)型AR眼镜。
在所述第二优选实施例中，所述基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法包括一显示元件10和一分光镜22，其中所述显示元件10是Micro LED微显示屏，所述分光镜22是具有一定透反比的曲面分光镜22，其中所述显示元件10 适于发出光线，所述分光镜22用于将所述显示元件10所发出的光线反射至人眼，同时外界光线也能够透过所述分光镜22进入人眼。
所述显示元件10发出的光线经过所述反射镜反射后进入人眼，其中所述显示元件10发出的光线可以是RGB单色光，也可以是RGB混合后的全彩色光线。 Micro LED为LED微缩化和矩阵化技术,指的是在一个芯片上集成的高密度细小尺度的LED阵列，其最大的优势在于所发出的光线具有高亮度，高对比度和低功耗。所述显示元件10，用于提供高亮度、高对比度的单色或者RGB图像。
具有一定透反比的曲面分光镜22可以是一个也可以是多个组成，其主要功能在于将显示元件10发出的光线反射回人的眼睛内。
自由曲面元件(虫眼)型AR眼镜采用了相对简单的光学设计。它搭载了显示元件10，以及带反射/透射(R/T)值的曲面分光镜22。显示元件10发出的光线直接射至凹面镜/合成器，并且反射回眼内。显示屏的理想位置居中，并尽量与曲面分光镜22平行。从技术上讲，理想位置是令显示源覆盖用户的眼睛，所以大多数设计都将显示器移至“轴外”，设置在额头上方。凹面镜上的离轴显示器存在畸变，需要在软件/显示器端进行修正。
在本实用新型的另一些优选实施例中，根据需求，可以在显示元件10和具有透反比的曲面分光镜22之间加入投射镜头。
所述具有透反比的曲面分光镜22可以由一片或者是多片组成，进一步地，可以将显示元件10发出的光经过一次反射进入到人眼，也可以经过多次反射后在进入人眼。
参考说明书附图4，所述显示元件10发出的光线直接投射到具有透反比的曲面分光镜22上，再经具有透反比的曲面分光镜22反射后进入人眼。外部光线亦可透过具有透反比的曲面分光镜22进入人眼。
具体的，参考说明书附图5，其中所述显示元件10为RGB全彩色Micro LED 显示器，具体参数如表1。为了达到高分辨率目的，采用成本较高的矽基板驱动方式。
参考说明书附图5，在所述显示元件10和所述反光镜之间进一步设有一凸透镜，用于对所述显示元件10所发出的光线进行聚光和准直。所述显示元件10 发出的光线直接投射到所述凸透镜后进行聚焦和准直，在经过具有透反比的曲面分光镜22后反射至进入人眼。外部光线亦可透过所述具有透反比的曲面分光镜 22和所述凸透镜后进入人眼。表3为部分具体设计参数。
表3
参考说明书附图6，本实用新型所提供的第三优选实施例的基于Micro LED 的AR显示装置及其显像方法被阐述，在本优选实施例中，将Micro LED应用于自由棱镜组合器型AR眼镜中，包括但不限于图中所描述的各类自由棱镜组合器型AR眼镜中。
在所述第三优选实施例中，所述基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法包括一显示元件10、一投影镜头21以及一自由棱镜组23，其中所述显示元件 10适于发出光线，所述投影镜头21用于对所述显示元件10所发出的光线进行聚焦和准直，所述自由棱镜组23作为分光镜，用于将经过所述投影镜头21准直后的光线反射至人眼，并且，外界光线也能够通过所述自由棱镜组23进入人眼。
所述显示元件10是Micro LED微显示屏，所述显示元件10所发出的光线可以是RGB单色光，也可以是RGB混合后的全彩色光线。Micro LED为LED 微缩化和矩阵化技术，指的是在一个芯片上集成的高密度细小尺度的LED阵列，其最大的优势在于所发出的光线具有高亮度，高对比度和低功耗。所述显示元件 10，用于提供高亮度、高对比度的单色或者RGB图像。
所述投影镜头21用于将显示元件10出射的光束准直为平行光束，与显示元件10共同组成光机投影器。投影镜头21可以是一片或多片透镜，或者是反射光学元件和透射光学元件的组合等。
所述自由棱镜组合器23可以由一个或多个具有一定透反比的棱镜组成，可以将显示元件10发出的光线经多次反射后回到人的眼睛内。
自由棱镜组合器型AR眼镜与自由曲面元件型AR眼镜原理相类似，主要组成部分有显示源，和带反射/透射(R/T)值的自由组合棱镜组。显示元件10发出的光线直接射至棱镜组23后被多次反射回眼内。多次反射会导致一部分光损失。这类设计最大的缺点是体积相对较大，重量也相对较重。若以LCoS、DLP 等装置作为图像源，外形会更加笨拙，佩戴者的体验感较差。
所述显示元件10发出的光线经投影镜头21进行聚焦或者准直，所述投影镜头21可以是一片或多片透镜，或者是反射光学元件和透射光学元件的组合等。
所述自由棱镜组23可以由一个棱镜或多个棱镜组成。将投影镜头21准直后的光线经过多次反射进入到人眼中。
参考说明书附图6，所述显示元件10发出的光线经投影镜头21准直后投射至所述自由棱镜组23中，在所述自由棱镜组23中经多次反射后进入人眼。外部光线亦可透过所述自由棱镜组23进入人眼。
参考说明书附图7，本实用新型所提供的第四优选实施例的基于Micro LED 的AR显示装置及其显像方法被阐述，在所述第四优选实施例中，将Micro LED 应用于鸟浴(BirdBath)型AR眼镜中，包括但不限于图中所描述的各类鸟浴(Bird Bath)型AR眼镜中。
在所述第四优选实施例中，所述基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法包括一显示元件10、一具有一定透反比的分光镜22和一合成器40，其中所述显示元件10适于发出光线，所述分光镜22用于将所述显示元件10所发出的光线反射至所述合成器40上，所述合成器40用于对所述分光镜22所反射的光线进一步反射，将光线重新汇聚至人眼中。其中外界光线也能够透过合成器40和所述分光镜22进入人眼，所述合成器40是凹面镜合成器。
所述显示元件10发出的光线可以是RGB单色光，也可以是RGB混合后的全彩色光线。Micro LED为LED微缩化和矩阵化技术，指的是在一个芯片上集成的高密度细小尺度的LED阵列，其最大的优势在于所发出的光线具有高亮度，高对比度和低功耗。所述显示元件10，用于提供高亮度、高对比度的单色或者 RGB图像。
所述分光镜22是具有一定透反比的分光镜22，一定的透射比可以通过在表面上镀不同的膜来实现。它的作用是将显示元件10发出的光反射至凹面镜合成器上，还可以让人眼可以看到外界的空间。
鸟浴(Bird Bath)型AR眼镜显示元件10发出的光投射到分光镜22，该分光镜22具有反射和透射值(R/T)，一部分光经分光镜22后被反射，因此，用户可以同时看到现实世界的物理对象以及由显示元件10生成的数字影像的叠加图像。反射光经分光镜22反射后投射至凹面镜合成器40中，再次通过合成器40 反射后，可以把光线重新导向人的眼睛。
参考说明书附图7，所述显示元件10发出的光，投射至分光镜22上，经分光镜22反射后被投射至凹面镜合成器40上，在经凹面镜合成器40反射后进入人眼。外界光线亦可透过凹面镜合成器40和分光镜22进入人眼。
参考说明书附图8，本实用新型所提供的第五优选实施例的基于Micro LED 的AR显示装置及其显像方法被阐述，在所述第五优选实施例中，将双复合型显示元件10组与平面组合器(flat combiner)型AR眼镜组，包括但不限于图中所描述的各类AR眼镜中。
在所述第五优选实施例中，所述基于Micro LED的AR显示装置包括一显示元件10、一合光元件30、一投影镜头21以及一分光镜22，其中所述显示元件 10包括一双色MicroLED微显示屏和一个单色Micro LED微显示屏，所述双色 Micro LED微显示屏和所述单色Micro LED微显示屏分别用于发出光线，所述合光元件30用于对所述双色Micro LED微显示屏和所述单色Micro LED微显示屏所发出的光线进行合光，通过合光后的光线经过所述投影镜头21准直，经过所述分光镜22反射至人眼，并且外界光线也能够通过所述分光镜22进入人眼。
其中所述双色Micro LED微显示屏可以为红绿Micro LED、红蓝Micro LED 或蓝绿Micro LED。所述单色Micro LED微显示屏可以为蓝Micro LED、绿Micro LED或红MicroLED。
所述合光元件30可以为一个镀有特定薄膜的平面光学元件，与所述双色 MicroLED微显示屏和所述单色Micro LED微显示屏分别成45°和-45°放置。由于镀膜的波长选择性，所述合光元件30对所述双色Micro LED微显示屏发出的光束进行反射，对所述单色Micro LED微显示屏发出的光束进行透射。同理，根据不同的镀膜方式，所述合光元件30也可以对所述双色Micro LED微显示屏发出的光束进行透射，对所述单色Micro LED微显示屏发出的光束进行反射。
参考说明书附图9，本实用新型所提供的第六优选实施例的基于Micro LED 的AR显示装置及其显像方法被阐述，在所述第六优选实施例中，所述基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法包括一显示元件10、一合光元件30、一投影镜头21以及一分光镜22，其中所述显示元件10是多复合型Micro LED微显示屏组，尤其是一种基于R、G、B三个单色MicroLED微显示屏组，所述显示元件10包括一第一微显示屏、一第二微显示屏以及一第三微显示屏，其中所述第一微显示屏是绿Micro LED，所述第二微显示屏是蓝Micro LED，所述第三微显示屏是红Micro LED。表4示意出了所述第六优选实施例的Micro LED微显示器的相关参数。
表4
参考说明书附图10A，所述合光元件30是一种R、G、B合色棱镜，所述合色棱镜由四块镀制特定光学薄膜的直角棱镜胶合而成。在图中所示的第一对角面A表面镀制红光反射膜，用于反射红Micro LED发出的中心方向沿第一方向的红色光束；第二对角面B表面镀制蓝光反射膜，用于反射蓝Micro LED发出的中心方向沿第二方向的蓝色光束；对于绿MicroLED发出的中心方向沿第三方向的绿色光束，所述合色棱镜对其透射，光束传播方向不变。其中，A表面与B 表面相互垂直。R、G、B三个单色图像，分别从所述特定方向入射至所述合色棱镜，合色成为一个RGB全彩图像，合色后的图像中心方向沿第三方向。
图10B示出了所述一种R、G、B合色棱镜的三维示意图。图10C给出了本实施例中的三色Micro LED的光谱分布。图10D给出了本实施例中的A表面膜层针对不同波长的反射率。图10E给出了本实施例中的B表面膜层针对不同波长的反射率。
参考说明书附图9，三个单色显示元件10通过合色棱镜进行合光。合色棱镜是由带有不同镀膜的棱镜粘合制成。对不同波长的入射光呈现不同的透射或反射特性。R、G、B三个单色图像，分别从特定方向入射至所述合色棱镜，合色成为一个RGB全彩图像。以图9作为示例进行说明，在所述合色棱镜的第一表面所镀的第一薄膜，反射由所述第二微显示屏发出的蓝色光束，第二表面所镀的第二薄膜，反射由所述第三微显示屏发出的红色光束，同时，由所述第一微显示屏发出的绿色光束透过所述合色棱镜。根据所述合色棱镜的不同放置方式，三个单色Micro LED微显示屏也要相应放在对应的位置，保证R、G、B三个单色图像，分别从特定方向入射至所述合色棱镜。通过所述合色棱镜进行光学合色后的 RGB图像经所述投影镜头21准直后，经所述分光镜22反射至人眼。
为了说明本实用新型的所述基于Micro LED的AR显示装置及其显像方法的适应性，对于不同类型的设备的组装方式分别地给出了平面组合器(flat combiner) 型(如图1、2、3、8、9)、自由曲面元件(虫眼)型(如图4、5)、自由棱镜组合器型(如图6)以及鸟浴(BirdBath)型(如图7)的实施例。
更多地，所述AR显示装置包括一显示元件10、一传输元件20和一合光元件30。也就是说，所述显示元件10、所述传输元件20和所述合光元件30能够分别地以平面组合器(flatcombiner)型(如图1、2、3、8、9)、自由曲面元件 (虫眼)型(如图4、5)、自由棱镜组合器型(如图6)以及鸟浴(Bird Bath) 型(如图7)的类型来组装于AR设备。当然，也能够以其他类型的形式来组装。所述显示元件10被控制而发出图像信息。需要说明的是，所述显示元件10作为输出器件可以通过有线或者无线方式被通信地连接。优选地，所述显示元件10 作为MicroLED微显示屏而应用于AR眼镜。
进一步地，所述传输元件20包括一投影镜头21和一分光镜22。由所述显示元件10发出的图像光线经过所述投影镜头21的处理后，经过所述分光镜22 后向一投影区100显示图像。值得一提的是，所述显示元件10所发出的图像可以为全彩图像，也可以为单色图像。
具体地，平面组合器(flat combiner)型的AR显示装置的所述分光镜22分别为平板型分光镜22，如图1；分光棱镜，如图2；具有一定透反比的分光镜22，如图3。经过所述投影镜头21的聚光和/或准直之后，图像光线被所述分光镜22 反射至所述投影区100中。值得一提的是，外界光线亦可透过所述分光镜22至所述投影区100。具体的光学设计参数如前述。
具体地，自由曲面元件型的AR显示装置的所述分光镜22分别地为具有透反比的曲面分光镜22，如图4和图5。值得一提的是，本优选实施例中的所述投影镜头21为可选的，根据不同的光学设计的需要进行设置。所述显示元件10所发出的光线直接投射到具有透反比的曲面分光镜22，再经具有透反比的曲面分光镜22经过反射后进入所述投影区100。外部光线亦可透过具有透反比的曲面分光镜22进入所述投影区100。
具体地，自由棱镜组合器型的AR显示装置的所述分光镜22采用自由棱镜组23，如图6所示。自由棱镜组的所述分光镜22由一个棱镜或多个棱镜组成。将所述投影镜头21准直后的光线经过多次反射进入到所述投影区域100中。
具体地，鸟浴(Bird Bath)型的AR显示装置的所述分光镜22采用具有一定透反比的分光镜22，如图7所示。更多地，所述合成器40采用凹面镜合成器，设置于所述分光镜22的出光侧。由所述显示元件10所发出的图像光线，经所述分光镜22反射后被投射至凹面镜的所述合成器40上，在经凹面镜的所述合光元件30反射后进入所述投影区100。外界光线亦可透过凹面镜的所述合成器40和所述分光镜22进入所述投影区100。
需要说明的是，所述合光元件30不仅适合将外界光线与图像光线合聚而出射，也可以被设置多个所述显示元件10之间，供提供全彩的图像。
如图8至图10所示，所述显示元件10包括至少一个单色的MicroLED。也就是说全彩图像可以采用RGB全彩MicroLED显示元件10、或者使用一个双色 MicroLED显示元件10与一个单色MicroLED显示元件10、亦或是使用R、G、 B三个单色MicroLED显示元件10来提供。为方便描述，这里将多个所述显示元件10分别称为第一显示元件11、第二显示元件12和第三显示元件13。
如图8所示，所述第一显示元件11为双色MircoLED，具体地可以为红绿 MicroLED、红蓝MicroLED或蓝绿MicroLED。所述第二显示元件12为一个单色MicroLED，相应地可以为蓝MicroLED、绿MicroLED或红MicroLED。所述第一显示元件11和所述第二显示元件12被控制而发出图像光线。图像光线经所述合光元件30进行合光，所述合光元件30优选为一个镀有特定薄膜的平面光学元件。所述合光元件30的具体设计参数如前述，如图10A至图10E所示。
如图9所示，一种基于R、G、B三个单色MicroLED的显像设备。所述第一显示元件11、所述第二显示元件12、所述第三显示元件13发出的光束经所述合光元件30，合色成为一个RGB全彩图像，再经过所述传输元件20的所述投影镜头21准直后，输入到所述分光镜22。
需要说明的是，如图8和图9的实施例中的所述合光元件30作为举例而应用于平面组合器型AR显示装置。本领域的技术人员可以理解的是，其他类型的 AR显示装置也可以采用所述显示元件10与所述合光元件30的组合设计，以及其他类型的所述分光镜22可以被结合于所述合光元件30的光学设计之中，以及所述显示元件10与所述合光元件30可以搭配上述其他类型的所述分光镜22的光学设计。这些结合实施例不再重复赘述，所述显示元件10基于MicroLED及其控制显示都与这些所述分光镜22和所述合光元件30可以相互的配合。另外，包括所述显示元件10和所述传输元件20的整体AR显示装置示意如图11所示，所述AR显示装置包括一镜架主体50，所述显示元件10和所述传输元件20被支撑于所述镜架主体50。使用场景如图12所示，不仅可以透过所述传输元件20 观察外界物品，也可以经过所述传输元件20观察所述显示元件10的图像。也就是说，所述显示元件10所发出的光线直接投射到所述传输元件20，再经所述传输元件20经过反射后进入所述投影区100。外部光线亦可透过所述传输元件20 进入所述投影区100。
并且，部分MicroLED微显示器可以显示RGB三色全彩色图像。部分 MicroLED微显示器只能显示R、G、B单色或者双色图像，因此本专利设计出了将三个单色MicroLED微显示器照射至同一个棱镜后进行合色，将此类 MicroLED微显示器组命名为多复合型MicroLED微显示屏组。针对部分 MicroLED微显示器可以同时显示RGB中其中两个颜色，可以将双色MicroLED 微显示器和一块单色MicroLED微显示器同时照射至同一个棱镜后进行合色，将此类MicroLED微显示器组命名为双复合型MicroLED微显示屏组。
本优选实施例提供一显像方法，包括以下步骤：
A.藉由至少一MicroLED，投射图像光线；
B.准直图像光线；以及
C.反射图像光线，以供投影至外部空间显示图像。
具体地，所述AR显示装置包括所述显示元件10和所述投影镜头21。所述显示元件10作为图像源用于显示单色或者RGB图像，也就是步骤A。该图像的像素发出的图像光线，经过所述投影镜头21被准直为平行光束，也就是步骤B。经过所述投影镜头21进行聚焦或者准直后被所述分光镜22反射至人眼，也就是步骤C。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型的实施例只作为举例而并不限制本实用新型。本实用新型的目的已经完整并有效地实现。本实用新型的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本实用新型的实施方式可以有任何变形或修改。
