CN104460002B - 可佩带的平视光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可佩带的平视光学系统，包括：全息成像系统，输出成像光线；导光系统，将所述成像光线引导至人眼；光源系统，提供光源光线；该全息成像系统包括：全息成像器件，所述全息成像器件显示全息图像；反射透射元件，通过反射或透射将光源光线引导入射至所述全息成像器件，并将所述全息成像器件反射的成像光线通过透射或反射引导入射至所述导光系统。本发明采用全息成像的方式使得用户看到的图像呈现在比实际距离更远处，成像距离可以通过软件算法调节，同时具有更高的光效，有利于减小系统体积和重量。

Description

可佩带的平视光学系统
技术领域
本发明涉及一种可佩带的平视光学系统。
背景技术
目前，可佩带式电子产品正在快速发展，并且有部分产品已经开始实际应用，例如谷歌眼镜。类似于谷歌眼镜的产品属于可佩带的平视光学系统，其主要包括成像系统和导光系统，成像系统输出的图像经由导光系统传导至人眼，另外，导光系统通常是透明的，因此在显示图像的同时并不会影响用户的视野，实现虚拟景象和显示景象的融合。
但是，现有技术中，平视光学系统的成像系统给出的通常都是实像，而佩带式电子产品本身离使用者眼睛距离很短，必须设计包含较多的光学部件的成像系统和导光系统来让佩带者看到成于远处的虚像，且一般来说成像距离固定，难以调整。此外，现有的成像系统通常使用遮光原理，即光源均匀照射至成像器件，成像器件根据每个像素点的亮度遮蔽不需要的光，其光效很低，大部分光能都被浪费，导致电池续航时间短、发热量大等问题，且成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可佩带的平视光学系统，通过全息图像利用干涉衍射的原理调制光线，可通过软件实时改变佩戴者观看到的图像的距离，此外全息图像将光引导至图像上有亮度的地方，而非如普通成像系统那样遮蔽不需要的光，因而其光效和亮度远高于普通成像系统，有利于减小系统体积和重量。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种可佩带的平视光学系统，包括：
全息成像系统，输出成像光线；
导光系统，将所述成像光线引导至人眼；
光源系统，提供光源光线；
其中，所述全息成像系统包括：
全息成像器件，所述全息成像器件显示全息图像；
反射透射元件，通过反射或透射将所述光源光线引导入射至所述全息成像器件，并将所述全息成像器件反射的成像光线通过透射或反射引导入射至所述导光系统。
根据本发明的一个实施例，所述全息成像器件为空间光调制器。
根据本发明的一个实施例，所述空间光调制器为硅基液晶芯片或数字微镜元件。
根据本发明的一个实施例，所述全息成像器件的显示数据通过数据线或无线的方式接入。
根据本发明的一个实施例，所述反射透射元件为偏振棱镜或半透半反棱镜或全反射棱镜。
根据本发明的一个实施例，所述反射透射元件包括偏振棱镜及旋光片。
根据本发明的一个实施例，所述全息成像系统还包括：设置在所述全息成像器件表面的透镜系统，所述透镜系统包括一个或多个透镜。
根据本发明的一个实施例，所述光源包括扩束系统或光束整形系统。
根据本发明的一个实施例，所述光源为激光光源。
根据本发明的一个实施例，所述导光系统包括相互贴合的第一介质块和第二介质块，所述第一介质块和第二介质块的贴合面为斜面并且该斜面上设置有半反半透薄膜，所述成像光线从所述第一介质块入射，经由该第一介质块传输至所述半反半透薄膜，并由所述半反半透薄膜反射至人眼。
根据本发明的一个实施例，所述第一介质块和第二介质块的贴合面与所述第一介质块的外表面之间的夹角a满足如下关系：其中，n1为所述第一介质块所采用的介质材料的折射率，n0为与所述第一介质块接触的外部介质材料的折射率。
根据本发明的一个实施例，所述成像光线入射至所述导光系统的入射面为曲面或胶合有不同折射率的曲面，以实现透镜功能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明实施例的可佩带式平视光学系统中，全息成像系统中的全息成像器件显示的是全息图像，由于全息图像本身可以调制光，因此可以通过软件调节的方式实现透镜的功能，通过改变全息图像实现等效于改变透镜焦距的功能，使得观看者在不改变任何硬件的情况下看到呈现于不同距离的图像。
此外，全息图像将光引导至图像上有亮度的地方，而非如普通成像系统那样遮蔽不需要的光，因而其光效和亮度远高于普通成像系统，有利于减小系统体积和重量。
附图说明
图1是本发明实施例的平视光学系统的整体结构示意图；
图2是本发明实施例的平视光学系统的第一实例的结构示意图；
图3是本发明实施例的平视光学系统的第二实例的结构示意图；
图4是本发明实施例的平视光学系统的第三实例的结构示意图；
图5是本发明实施例的平视光学系统的第四实例的结构示意图；
图6是本发明实施例的平视光学系统的第五实例的结构示意图；
图7是本发明实施例的平视光学系统的第六实例的结构示意图；
图8是本发明实施例的平视光学系统的第七实例的结构示意图；
图9是本发明实施例的平视光学系统的第八实例的结构示意图；
图10是本发明实施例的平视光学系统的第九实例的结构示意图；
图11是本发明实施例的平视光学系统中一种导光系统的结构示意图；
图12是本发明实施例的平视光学系统中另一种导光系统的结构示意图；
图13是本发明实施例的平视光学系统中又一种导光系统的结构示意图；
图14是本发明实施例的平视光学系统中再一种导光系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参考图1，本实施例的可佩带的平视光学系统包括全息成像系统11、导光系统12以及光源系统10。其中，全息成像系统11利用光源系统10发出的光源光线产生并输出成像光线，该成像光线入射至导光系统12并由导光系统12引导至人眼。
进一步而言，全息成像系统11包括全息成像器件和反射透射元件。其中，全息成像器件为空间光调制器，显示全息图像（也即相息图），例如可以采用硅基液晶芯片（LCoS）或数字微镜元件（DMD）实现；反射透射元件通过反射或透射将光源光线引导入射至所述全息成像器件，全息成像器件利用该光源光线生成成像光线，该成像光线被反射透射元件通过透射或反射引导入射至导光系统12，该反射透射元件可以是偏振棱镜、半透半反棱镜或全反射棱镜等，另外还可以包含旋光片等部件。
作为一个非限制性的例子，全息图像例如可以采用申请号为201010595976.X中记载的方法来生成。
其中，全息成像器件上显示的数据可以通过数据线或无线的方式接入，由于全息图像本身可以调制光，因此在向全息成像器件提供数据时，可以对提供的全息图像数据做预处理，例如可以通过软件调节的方式实现透镜的功能，通过改变全息图像实现等效于改变透镜焦距的功能，使得观看者在不改变任何硬件的情况下看到呈现于不同距离的图像。
另外，导光系统12中可以集成有半反半透薄膜，将沿导光系统12传播的成像光线反射至人眼，另外，人眼也可以透过半反半透薄膜看到外部的现实景象。当然，本领域技术人员应当理解，此处的半反半透薄膜仅为示例，还可以采用偏振棱镜、半透半反棱镜等方式实现类似的功能。
此外，光源系统10发出的光源光线照射在全息成像系统上，为整个系统提供光线。优选地，光源系统10采用激光光源，光源系统10中可还可以包括扩束系统或光束整形系统，激光光源发出的光线可通过扩束系统或光束整形系统后照射到全息成像系统上，提高成像质量。其中，光束扩束系统或光束整形系统可使用激光扩束镜、激光准直镜等来实现。
下面结合具体实例进行详细说明。
参考图2，在第一实例中，光源10发出的光源光线经由扩束系统15输入至全息成像系统内的全息成像器件111（例如硅基液晶等），用于生成成像光线。其中，光源10例如可以是激光光源。
参考图3，在第二实例中，光源10发出的光源光线经由光束整形系统16输入，用于生成成像光线。其中，光源10例如可以是激光光源。
参考图4，在第三实例中，全息成像系统11包括全息成像器件111以及设置在全息成像器件111表面的透镜系统112，全息成像器件111显示全息图像，透镜系统112包含一个或多个透镜。需要说明的是，该透镜系统112是可选的，也可以仅通过对全息成像器件111上显示的全息图像的处理来实现调焦功能。
具体而言，全息成像器件111为空间光调制器，例如可以是硅基液晶芯片（LCoS）或数字微镜元件（DMD）等，由外部的发光二极管（LED）或激光光源照明后显示图像，该图像为全息图像。而透镜系统112可以由一块凸透镜或者菲涅尔透镜构成。
全息成像器件111利用光源10的光源光线产生成像光线，经由透镜系统112进入导光系统。优选地，光源10的光源光线经由扩束系统进入全息成像器件111。
导光系统可以包括相互贴合的第一介质块121和第二介质块122，二者的贴合面为斜面，该斜面上设置有半反半透薄膜13。其中，第一介质块121和第二介质块122的材料可以相同；半反半透薄膜13可以涂覆在贴合面上，也可以镀在贴合面上。半反半透薄膜13的作用是控制从全息成像系统11进入射到贴合面（或者说分界面）上的光的透射率，形成部分透射部分反射的效果，例如70%透射，30%反射。半反半透薄膜13将成像光线反射至人眼。
参考图5，图5示出了平视光学系统的第四实例，其结构与第三实例基本相同。区别在于，第四实例中，导光系统内的第一介质块121和第二介质块122的材料不同。
参考图6，图6示出了平视光学系统的第五实例。在第五实例中，全息成像系统11包括全息成像器件41和偏振棱镜（PBS）42。其中，偏振棱镜42可以集成在导光系统12中，也就是和导光系统12结合为一。
在第五实例中，全息成像器件41为空间光调制器，可以是硅基液晶芯片（LCoS），其显示的是全息图像，利用光源（例如激光或者LED光源）照明，衍射干涉后成像，由于全息图像（或者称为相息图）本身可调至光，因此可以通过软件调节实现透镜功能，通过改变全息图像可以使得观看者在不改变任何硬件的条件下，看到呈现于不同距离的图像，因此该平视光学系统中可以不加装透镜系统。
进一步而言，全息成像器件41位于导光系统12的一侧，光源10发出的光源光线从导光系统12的相对的另一侧射入。光源10发出的光可以是偏振光，第一次进入偏振棱镜42时将会透过，照亮全息成像器件41。全息成像器件41调制光源10发出的光源光线，并改变其偏振方向后反射，反射后的调制光再次进入偏振棱镜42后由于偏振方向已变，将会被偏振棱镜42反射进入导光系统12，并在导光系统12内传播至左侧的半反半透薄膜或者也可以是偏振或非偏振棱镜，并反射进入观看者眼中。
其中，光源10也可放在全息成像系统11之外，而通过光纤和光源接口的方式将光源光线导入，从而减小系统体积和重量。
参考图7，图7示出了平视光学系统的第六实例。在第六实例中，全息成像系统包括全息成像器件51和全反射棱镜（TIR）52。其中，全反射棱镜52可以集成在导光系统12中，也就是和导光系统12结合为一。
全息成像器件51为空间光调制器，显示的是全息图像，其可以是硅基液晶芯片（LCoS）或数字微镜元件（DMD）或者全息照片，利用光源（例如激光或者LED光源）照明，衍射干涉后成像。
进一步而言，全息成像器件51位于导光系统12的一侧，光源10发出的光源光线由另一侧射入。光源10发出的光第一次进入全反射棱镜52时将会全反射，照亮全息成像器件51。全息成像器件51例如硅基液晶芯片或数字微镜元件等成像芯片，可以调制光源发出的光源光线，并将其反射，反射后的调制光再次进入全反射棱镜52后由于入射角已变，将会透射过全反射棱镜52进入导光系统12，并在导光系统12内传播至左侧半反半透薄膜或者偏振或非偏振棱镜，并反射进入观看者眼中。
其中，光源10可放在全息成像系统之外，而通过光纤和光源接口的方式将照明光线导入，从而减小系统体积和重量。
需要说明的是，虽然第五和第六实例中，全息成像器件显示的是全息图像，可以通过全息成像器件本身的调节实现透镜功能，但是为了进一步改善显示效果，在全息成像器件的表面处也可以设置有透镜系统。此外，第五和第六实例中，反射透射元件采用的分别是偏振棱镜和全反射棱镜，但并不限于此，该反射透射元件还可以采用半透半反棱镜或其他适当的器件来实现。
参考图8，图8示出了平视光学系统的第七实例。在第七实例中，全息成像系统包括全息成像器件51和偏振棱镜（PBS）42、透镜系统112。其中，偏振棱镜42和透镜系统112可以集成在导光系统12中，也就是和导光系统12结合为一。
第七实例中，全息成像器件51显示的是全息图像，其可以是硅基液晶芯片（LCoS）或数字微镜元件（DMD），利用光源10（例如激光或者LED光源）照明。
进一步而言，全息成像器件51位于导光系统12的一侧，光源10发出的光源光线从导光系统12的相对的另一侧射入。光源10发出的光可以是偏振光，第一次进入偏振棱镜42时将会透过，照亮全息成像器件51。全息成像器件51调制光源10发出的光源光线，并改变其偏振方向后反射，反射后的调制光再次进入偏振棱镜42后由于偏振方向已变，将会被偏振棱镜42反射进入透镜系统，透镜系统两面分别胶合在导光系统12及偏振棱镜42表面，光线在导光系统12内传播至左侧的半反半透薄膜或者也可以是偏振或非偏振棱镜，并反射进入观看者眼中。
其中，光源10也可放在全息成像系统之外，而通过光纤的方式将光源光线导入，从而减小系统体积和重量。
参考图9，图9示出了平视光学系统的第八实例。在第八实例中，全息成像系统包括全息成像器件51、偏振棱镜（PBS）42、曲面反射镜112、1/4玻片113。其中，偏振棱镜42可以集成在导光系统12中，也就是和导光系统12结合为一。进一步而言，全息成像系统设置在导光系统12的一端，而曲面反射镜112和1/4玻片113设置在导光系统12的另一端。
第八实例中，全息成像器件51为空间光调制器，显示的是全息图像，其可以是硅基液晶芯片（LCoS）或数字微镜元件（DMD），利用光源10（例如激光或者LED光源）光源照明。
进一步而言，全息成像器件51位于导光系统12的一侧，光源10发出的光源光线从位于导光系统12的相对的另一侧射入。光源10发出的光可以是偏振光，第一次进入偏振棱镜42时将会透过，照亮全息成像器件51。全息成像器件51调制光源10发出的光源光线，并改变其偏振方向后反射，反射后的调制光再次进入偏振棱镜42后由于偏振方向已变，将会被偏振棱镜42反射进入导光系统12，光线在导光系统12内传播至左侧的偏振棱镜，第一次入射偏振棱镜时将会透过，经过1/4玻片113后被曲面反射镜112反射调制，再一次经过1/4玻片113后再次入射到偏振棱镜，由于其偏振方向已被1/4玻片113改变，光线将会被反射进入观看者眼中。
其中，光源10也可放在全息成像系统之外，而通过光纤的方式将光源光线导入，从而减小系统体积和重量。
参考图10，图10示出了平视光学系统的第九实例。在第九实例中，全息成像系统11包括全息成像器件41、偏振棱镜（PBS）42和旋光片43。其中，偏振棱镜42和旋光片43可以集成在导光系统12中，也就是和导光系统12结合为一。
在第九实例中，全息成像器件41为空间光调制器，可以是硅基液晶芯片（LCoS）或数字微镜元件（DMD），其显示的是全息图像，利用光源（例如激光或者LED光源）照明，衍射干涉后成像，由于全息图像（或者称为相息图）本身可调至光，因此可以通过软件调节实现透镜功能，通过改变全息图像可以使得观看者在不改变任何硬件的条件下，看到呈现于不同距离的图像，因此该平视光学系统中可以不加装透镜系统。
进一步而言，全息成像器件41位于导光系统12的一侧，光源10发出的光源光线从导光系统12的相对的另一侧射入。光源10发出的光可以是偏振光，第一次进入偏振棱镜42时将会透过，当光线透过旋光片43时，其偏振方向改变，并照亮全息成像器件41。全息成像器件41调制光源10发出的光源光线并反射，但不改变其偏振方向，反射后的调制光进入旋光片43后再次进入偏振棱镜42后由于偏振方向已变，将会被偏振棱镜42反射进入导光系统12，并在导光系统12内传播至左侧的半反半透薄膜或者也可以是偏振或非偏振棱镜，并反射进入观看者眼中。
其中，光源10也可放在全息成像系统11之外，而通过光纤和光源接口的方式将光源光线导入，从而减小系统体积和重量。
下面结合多个实例对该平视光学系统中的导光系统进行详细说明。
参考图11，在第一实例中，导光系统包括相互贴合的第一介质块121和第二介质块122，并且导光系统靠近全息成像系统的端面为平面，也就是第一介质块121用于成像光线入射的端面与外表面（或者说侧面）垂直。
第一介质块121和第二介质块122的贴合面为斜面，也即该贴合面与第一介质块121和第二介质块122的外表面（或者说侧面）并非垂直。第一介质块121和第二介质块122的贴合面与第一介质块121的外表面之间的夹角a满足如下关系：其中，n1为第一介质块121所采用的介质材料的折射率，n0为与第一介质块121接触的外部介质材料（例如空气或者设置在第一介质块121外表面上的薄膜）的折射率。
第一介质块121和第二介质块122的贴合面上可以设置有半透半反薄膜，实现部分透射部分反射的效果。关于半透半反薄膜的详细信息请参见前文的相关描述，这里不再赘述。此外，还可以采用半透半反棱镜或偏振棱镜等方式实现类似的功能。
参考图12，在第二实例中，导光系统包括相互贴合的第一介质块121和第二介质块122，并且导光系统靠近全息成像系统的端面71为斜面，也就是第一介质块121用于成像光线入射的端面71与外表面（或者说侧面）非垂直。入射面采用斜面，可以有效增大成像光线的入射面积。
参考图13，在第三实例中，导光系统包括相互贴合的第一介质块121和第二介质块122，并且导光系统靠近全息成像系统的端面81为曲面或者胶合有不同折射率的曲面，以实现透镜功能。进一步而言，在第三实例中，端面81为内凹的曲面。
参考图14，在第四实例中，导光系统包括相互贴合的第一介质块121和第二介质块122，并且导光系统与全息成像系统相反的端面设置（例如采用胶合的方式）有1/4玻片92及曲面反射镜91，当从全息成像系统传来的光线第一次入射偏振棱镜时将会透过，经过1/4玻片92后被曲面反射镜91反射调制，再一次经过1/4玻片92后再次入射到偏振棱镜，由于其偏振方向已被1/4玻片92改变，光线将会被反射进入观看者眼中。进一步而言，在第四实例中，导光系统远离全息成像系统的端面上胶合有1/4玻片92及偏振棱镜91。
需要说明的是，在第三和第四实例中，导光系统的端面采用曲面结构来实现透镜功能时，全息成像系统内也可以集成其他透镜以改善成像效果，或者全息成像系统内也可以不设置透镜，仅采用导光系统的曲面来实现透镜功能。
另外，导光系统远离全息成像系统的端面可以制成磨砂结构或者涂覆黑色涂料或膜层，换言之，导光系统与成像光线入射面相反的另一端的端面可以制成磨砂结构或者涂覆黑色涂料或膜层。
综上，本实施例的可佩带的平视光学系统可以制成类似眼镜的产品，采用全息成像的方式使得用户看到的图像呈现在比实际距离更远处，并且可以通过改变全息图调节人眼所见图像的距离，从而减轻视觉疲劳；通过使用全息成像的方式，可以大大提高系统光效，从而减小光源功耗，减小体积和发热。另外通过透明的导光系统将像面平移，而不阻挡人眼正面的光线，形成一种透明显示系统，实现虚拟景象和现实景象的融合。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (13)

1.一种可佩带的平视光学系统，包括：
全息成像系统，输出成像光线；
导光系统，将所述成像光线引导至人眼；
光源系统，提供光源光线；
其特征在于，所述全息成像系统包括：
全息成像器件，所述全息成像器件显示相息图，所述全息成像器件通过软件调节的方式实现透镜的功能；
反射透射元件，通过反射或透射将所述光源光线引导入射至所述全息成像器件，并将所述全息成像器件反射的成像光线通过透射或反射引导入射至所述导光系统。
2.根据权利要求1所述的平视光学系统，其特征在于，所述全息成像器件为空间光调制器。
3.根据权利要求2所述的平视光学系统，其特征在于，所述空间光调制器为硅基液晶芯片或数字微镜元件。
4.根据权利要求1所述的平视光学系统，其特征在于，所述全息成像器件的显示数据通过数据线或无线的方式接入。
5.根据权利要求1所述的平视光学系统，其特征在于，所述反射透射元件为偏振棱镜或半透半反棱镜或全反射棱镜。
6.根据权利要求1所述的平视光学系统，其特征在于，所述反射透射元件包括偏振棱镜及旋光片。
7.根据权利要求1所述的平视光学系统，其特征在于，所述全息成像系统还包括：设置在所述全息成像器件表面的透镜系统，所述透镜系统包括一个或多个透镜。
8.根据权利要求1所述的平视光学系统，其特征在于，所述光源系统包括扩束系统或光束整形系统。
9.根据权利要求1所述的平视光学系统，其特征在于，所述光源系统为激光光源。
10.根据权利要求1所述的平视光学系统，其特征在于，所述导光系统包括相互贴合的第一介质块和第二介质块，所述第一介质块和第二介质块的贴合面为斜面并且该斜面上设置有半反半透薄膜，所述成像光线从所述第一介质块入射，经由该第一介质块传输至所述半反半透薄膜，并由所述半反半透薄膜反射至人眼。
11.根据权利要求10所述的平视光学系统，其特征在于，所述第一介质块和第二介质块的贴合面与所述第一介质块的外表面之间的夹角a满足如下关系：其中，n1为所述第一介质块所采用的介质材料的折射率，n0为与所述第一介质块接触的外部介质材料的折射率。
12.根据权利要求1所述的平视光学系统，其特征在于，所述成像光线入射至所述导光系统的入射面为曲面，以实现透镜功能。
13.根据权利要求1所述的平视光学系统，其特征在于，所述成像光线入射至所述导光系统的入射面为胶合有不同折射率的曲面，以实现透镜功能。
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