CN105629468A - 一种基于自由曲面的平板波导增强现实眼镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增强现实技术领域。一种基于自由曲面的平板波导增强现实眼镜，包括一眼镜主体和微型图像显示器，眼镜主体包括一镜架，镜架安装有镜片，镜片包括一光波导片，光波导片包括光传输部和成像部，成像部包括左右依次平行排布的三个玻璃层，的玻璃层具有一定的倾斜角度，且每层玻璃的边缘侧面涂有半透半反膜；半透半反膜由眼镜主体的内侧向外侧方向，半透半反膜反射率依次递增，透过率依次递减；光波导片的右端设有一耦合棱镜，耦合棱镜的入光端面为一相对于微型图像显示器呈凸面形状的透射曲面，透射曲面起放大图像的作用；耦合棱镜的上端面为一相对于微型图像显示器呈凹面形状的反射曲面，反射曲面内侧壁上涂有反射膜层。

Description

一种基于自由曲面的平板波导增强现实眼镜

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，具体涉及眼镜。

背景技术

增强现实技术是一种将真实世界信息和虚拟世界信息集成的新技术，在日常生活中可以为人们带来便利。它可以实现超越电子屏幕的视觉体验，在展现真实世界的信息是同时，将虚拟的信息同时显示出来，数码世界和真实世界的信息相互补充和叠加，二者完美的结合在一起呈现在用户眼中。然而现在已有的的增强现实眼镜，普遍存在使用时视场角过小导致用户视野不佳，以及镜片太厚导致整体偏重的缺陷，从而降低了用户体验满意度。

发明内容

本使用新型的目的在于，提供一种基于自由曲面的平板波导增强现实眼镜，出瞳直径大。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种基于自由曲面的平板波导增强现实眼镜，包括一眼镜主体和微型图像显示器，所述眼镜主体包括一镜架，所述镜架安装有镜片，所述镜片包括一光波导片，所述光波导片呈板状，所述光波导片包括光传输部和成像部，其特征在于：所述成像部包括左右依次平行排布的三个玻璃层，所述的玻璃层具有一定的倾斜角度，且每层玻璃的边缘侧面涂有半透半反膜；所述半透半反膜由所述眼镜主体的内侧向外侧方向，所述半透半反膜反射率依次递增，透过率依次递减；

所述光波导片的右端设有一耦合棱镜，所述耦合棱镜的入光端面为一相对于所述微型图像显示器呈凸面形状的透射曲面，所述透射曲面起放大图像的作用；耦合棱镜的上端面为一相对于所述微型图像显示器呈凹面形状的反射曲面，所述反射曲面内侧壁上涂有反射膜层。

所述透射曲面、所述反射曲面的方程满足以下三个方程之一：

(a)变形非球面，他有两个方向的曲率半径，而且可以不相同，该曲面为平面对称曲面，它有两个对称面，分别关于yoz、xoz平面对称。

$z=\frac{C_x{x}^2{C}_y{y}^2}{1+{\{1-(1+K_x)C_x^2{x}^2-(1+K_y)C_y^2{y}^2\}}^{1/3}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{A}_i{\{(1-P_i)x^2+(1+P_i)y^2\}}^{i+1}$

C_x是曲面X‐Z平面内X方向的曲率半径，C_y是曲面在Y‐Z平面内Y方向的曲率半径，K_x是曲面X方向的二次曲线系数，K_y是曲面Y方向的二次曲线系数，A_t是4，6，8…2n阶非旋转对称系数。

(b)XY多项式曲面，

$\begin{array}{c}z(x,y)=\frac{C(x^2+y^2)}{1+{\[1-(1+k)C^2(x^2+y^2)\]}^{\mathrm{1/2}}}\\ +c_4{y}^2+c_6{x}^2\\ +c_7{y}^3+c_9{\mathrm{yx}}^2\\ +c_{11}{y}^4+c_{13}{y}^2{x}^2+c_{15}{x}^4\\ +c_{16}{y}^5+c_{18}{y}^3{x}^2+c_{20}{\mathrm{yx}}^4\\ +c_{22}{y}^6+c_{24}{y}^4{x}^2+c_{26}{y}^2{x}^4+c_{28}{x}^6\\ +c_{29}{y}^7+c_{31}{y}^5{x}^2+c_{33}{y}^3{x}^4+c_{35}{\mathrm{yx}}^6\\ +...\end{array}$

其中C为曲面曲率半径，c_j为多项式系数。

(c)超环面是一个圆形或n阶曲线形状的回转曲面，由一个圆或n阶曲线绕一个与该曲线共面的一个轴回转所生成。

$z=\frac{{\mathrm{cx}}^2}{1+{\[1-(1+k)c^2{x}^2\]}^{\mathrm{1/2}}}+\underset{\‾}{A}{x}^4+\underset{\‾}{B}{x}^6+\underset{\‾}{C}{x}^8+\underset{\‾}{D}{x}^{10}$

其中c为曲率半径，k为二次曲面系数，A，B，C，D分别为4，6，8，10阶非球面系数。

本发明在使用时，微型图像显示器发出的光线经由耦合棱镜的透射曲面透射进入耦合棱镜，然后被反射曲面反射后进入光波导片，在所述光波导片内全反射前进，光线照射到半透半反膜的入光面后依次发生一定的反射和透射，最后发生反射的光线透过玻璃基板底部进入观察者的瞳孔。

所述半透半反膜与所述光波导片的下表面呈一夹角，所述角度为20～30度，优选24.5度。采用该角度，视场角较现有的增强现实眼镜有很大的提高，视场角能达到36度，目视距离为18mm左右。各所述半透半反膜与所述光波导片所成的夹角优选相等。

所述光波导片厚度为1.8mm～2.2mm，优选2mm。光波导片厚度减少，减少眼镜的重量，提高用户的舒适感。

所述微型图像显示器包括一LCOS投影模组，所述镜架一侧的镜腿设有第一中空腔，所述第一中空腔设有一透光口，所述透光口处安装有LCOS投影模组，所述LCOS投影模组的投影口朝向所述耦合棱镜的透射曲面。将LCOS模组安装于镜腿的中空腔内可以美化外观，同时方便固定与安装。

所述镜架另一侧的镜腿设有第二中空腔，所述第二中空腔设有一开口，所述开口朝向镜片前方，所述第二中空腔内设有一测距装置，所述测距装置连接至一微型处理器系统，所述微型处理器系统还连接所述微型图像显示器。通过测量现实世界中物体的距离调整与物体匹配的画面的大小，使两者能够等尺寸结合，进而思想实际物体与虚拟物体的结合。

所述测距装置可以是激光测距仪，还可以是测距雷达。

所述镜架还安装有一影像采集装置，所述影像采集装置设有至少一个摄像头，所述摄像头连接所述微型处理器系统，所述微型处理器系统连接一触摸屏系统，所述触摸屏系统设有一用于感应触摸动作的触摸感应膜，所述触摸感应膜贴在所述镜片前方。设有影像采集功能，触摸感应功能，为微型处理系统获取真实世界的信息提供了基础，用户复合式的信息交互，提高用户体验满意度

所述镜架还安装有一语音采集装置，所述语音采集装置设有至少一个麦克风，所述麦克风连接所述微型处理器系统，所述麦克风固定在镜腿中部，所述麦克风感应方向垂直向下。使更加简洁地安装固定，尽可能靠近用户的口部，达到较好的采集环境声音的效果，另一方面，在方便固定的同时，给所述镜架均衡的受力。

所述触摸感应膜贴采用压电式触控技术，所述压电式触控技术介于电阻式与电容式触控技术之间。压电式传感器的触控屏幕同电容式触控屏一样支持多点触控，而且支持任何物体触控，不像电容屏只支持类皮肤的材质触控。这样，压电式触控屏幕可以同时具有电容屏幕的多点触控触感，又具有电阻屏的精准。

所述触摸感应膜贴通过紧压式固定方式。所述固定方式在所述触摸感应膜贴周边圈沿绕一圈泡棉，不仅能做到有效的防止尘防水，而且对所述触摸感应膜贴本身也没有损伤。

附图说明

图1为位于本发明的右侧的镜片的光路示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。

参照图1，一种基于自由曲面的平板波导增强现实眼镜，包括一眼镜主体和微型图像显示器，眼镜主体包括一镜架，镜架安装有镜片，镜片包括一光波导片，光波导片呈板状，光波导片包括光传输部1和成像部2，成像部2包括左右依次平行排布的三个玻璃层，的玻璃层具有一定的倾斜角度，且每层玻璃的边缘侧面涂有半透半反膜；半透半反膜由眼镜主体的内侧向外侧方向，半透半反膜反射率依次递增，透过率依次递减；

光波导片的右端设有一耦合棱镜，耦合棱镜的入光端面为一相对于微型图像显示器呈凸面形状的透射曲面4，透射曲面4起放大图像的作用；耦合棱镜的上端面为一相对于微型图像显示器呈凹面形状的反射曲面3，反射曲面3内侧壁上涂有反射膜层。

透射曲面4、反射曲面3的方程满足以下三个方程之一：

(a)变形非球面，他有两个方向的曲率半径，而且可以不相同，该曲面为平面对称曲面，它有两个对称面，分别关于yoz、xoz平面对称。

$z=\frac{C_x{x}^2{C}_y{y}^2}{1+{\{1-(1+K_x)C_x^2{x}^2-(1+K_y)C_y^2{y}^2\}}^{1/3}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{A}_i{\{(1-P_i)x^2+(1+P_i)y^2\}}^{i+1}$

C_x是曲面X‐Z平面内X方向的曲率半径，C_y是曲面在Y‐Z平面内Y方向的曲率半径，K_x是曲面X方向的二次曲线系数，K_y是曲面Y方向的二次曲线系数，A_i是4，6，8…2n阶非旋转对称系数。

(b)XY多项式曲面，

$\begin{array}{c}z(x,y)=\frac{C(x^2+y^2)}{1+{\[1-(1+k)C^2(x^2+y^2)\]}^{\mathrm{1/2}}}\\ +c_4{y}^2+c_6{x}^2\\ +c_7{y}^3+c_9{\mathrm{yx}}^2\\ +c_{11}{y}^4+c_{13}{y}^2{x}^2+c_{15}{x}^4\\ +c_{16}{y}^5+c_{18}{y}^3{x}^2+c_{20}{\mathrm{yx}}^4\\ +c_{22}{y}^6+c_{24}{y}^4{x}^2+c_{26}{y}^2{x}^4+c_{28}{x}^6\\ +c_{29}{y}^7+c_{31}{y}^5{x}^2+c_{33}{y}^3{x}^4+c_{35}{\mathrm{yx}}^6\\ +...\end{array}$

其中C为曲面曲率半径，c_j为多项式系数。

(c)超环面是一个圆形或n阶曲线形状的回转曲面，由一个圆或n阶曲线绕一个与该曲线共面的一个轴回转所生成。

$z=\frac{{\mathrm{cx}}^2}{1+{\[1-(1+k)c^2{x}^2\]}^{\mathrm{1/2}}}+\underset{\‾}{A}{x}^4+\underset{\‾}{B}{x}^6+\underset{\‾}{C}{x}^8+\underset{\‾}{D}{x}^{10}$

其中c为曲率半径，k为二次曲面系数，A，B，C，D分别为4，6，8，10阶非球面系数。

本发明在使用时，微型图像显示器发出的光线经由耦合棱镜的透射曲面4透射进入耦合棱镜，然后被反射曲面3反射后进入光波导片，在光波导片内全反射前进，光线照射到半透半反膜的入光面后依次发生一定的反射和透射，最后发生反射的光线透过玻璃基板底部进入观察者的瞳孔。

半透半反膜与光波导片的下表面呈一夹角，角度为20～30度，优选24.5度。采用该角度，视场角较现有的增强现实眼镜有很大的提高，视场角能达到36度，目视距离为18mm左右。各半透半反膜与光波导片所成的夹角优选相等。

光波导片厚度为1.8mm～2.2mm，优选2mm。光波导片厚度减少，减少眼镜的重量，提高用户的舒适感。

具体实施例1,微型图像显示器包括一LCOS投影模组5，镜架一侧的镜腿设有第一中空腔，第一中空腔设有一透光口，透光口处安装有LCOS投影模组5，LCOS投影模组5的投影口朝向耦合棱镜的透射曲面4。将LCOS模组安装于镜腿的中空腔内可以美化外观，同时方便固定与安装。镜架另一侧的镜腿设有第二中空腔，第二中空腔设有一开口，开口朝向镜片前方，第二中空腔内设有一测距装置，测距装置连接至一微型处理器系统，微型处理器系统还连接微型图像显示器。通过测量现实世界中物体的距离调整与物体匹配的画面的大小，使两者能够等尺寸结合，进而思想实际物体与虚拟物体的结合。

具体实施2,微型图像显示器固定在镜架上，微型图像显示器的像投出口朝向透射曲面。优选，镜架包括两个镜腿，两个镜腿内均设有中空腔，位于右侧的光波导镜片的耦合棱镜在光波导片的右端，位于右侧的光波导镜片的耦合棱镜深入位于右侧的镜腿的中空腔内，位于左侧的光波导镜片的耦合棱镜在光波导片的左端，位于左侧的光波导镜片的耦合棱镜深入位于左侧的镜腿的中空腔内；微型图像显示器设有一两个LCOS投影模组，两个LCOS投影模组分别位于两个中空腔内，且分别正对两个耦合棱镜。眼镜主体上还固定有一测距装置，测距装置朝向眼镜的前方，测距装置连接一微型处理器系统，微型处理器系统连接微型图像显示器。优选，测距装置位于两个光波导镜片之间。

上面两实施例中,测距装置可以是激光测距仪，还可以是测距雷达。

镜架还安装有一影像采集装置，影像采集装置设有至少一个摄像头，摄像头连接微型处理器系统，微型处理器系统连接一触摸屏系统，触摸屏系统设有一用于感应触摸动作的触摸感应膜，触摸感应膜贴在镜片前方。设有影像采集功能，触摸感应功能，为微型处理系统获取真实世界的信息提供了基础，用户复合式的信息交互，提高用户体验满意度

镜架还安装有一语音采集装置，语音采集装置设有至少一个麦克风，麦克风连接微型处理器系统，麦克风固定在镜腿中部，麦克风感应方向垂直向下。使更加简洁地安装固定，尽可能靠近用户的口部，达到较好的采集环境声音的效果，另一方面，在方便固定的同时，给镜架均衡的受力。

触摸感应膜贴采用压电式触控技术，压电式触控技术介于电阻式与电容式触控技术之间。压电式传感器的触控屏幕同电容式触控屏一样支持多点触控，而且支持任何物体触控，不像电容屏只支持类皮肤的材质触控。这样，压电式触控屏幕可以同时具有电容屏幕的多点触控触感，又具有电阻屏的精准。

触摸感应膜贴通过紧压式固定方式。固定方式在触摸感应膜贴周边圈沿绕一圈泡棉，不仅能做到有效的防止尘防水，而且对触摸感应膜贴本身也没有损伤。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于自由曲面的平板波导增强现实眼镜，包括一眼镜主体和微型图像显示器，所述眼镜主体包括一镜架，所述镜架安装有镜片，所述镜片包括一光波导片，所述光波导片呈板状，所述光波导片包括光传输部和成像部，其特征在于：所述成像部包括左右依次平行排布的三个玻璃层，所述的玻璃层具有一定的倾斜角度，且每层玻璃的边缘侧面涂有半透半反膜；所述半透半反膜由所述眼镜主体的内侧向外侧方向，所述半透半反膜反射率依次递增，透过率依次递减；

所述光波导片的右端设有一耦合棱镜，所述耦合棱镜的入光端面为一相对于所述微型图像显示器呈凸面形状的透射曲面，所述透射曲面起放大图像的作用；耦合棱镜的上端面为一相对于所述微型图像显示器呈凹面形状的反射曲面，所述反射曲面内侧壁上涂有反射膜层。

2.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的平板波导增强现实眼镜，其特征在于，所述透射曲面、所述反射曲面的方程满足以下三个方程之一：

$z=\frac{C_x{x}^2+C_y{y}^2}{1+{\{1-(1+K_x)C_x^2{x}^2-(1+K_y)C_y^2{y}^2\}}^{1/2}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{\{(1-P_i)x^2+(1+P_i)y^2\}}^{i+1}---\left(a\right)$

C_x是曲面X‐Z平面内X方向的曲率半径，C_y是曲面在Y‐Z平面内Y方向的曲率半径，K_x是曲面X方向的二次曲线系数，K_y是曲面Y方向的二次曲线系数，A_t是4，6，8…2n阶非旋转对称系数；

$\begin{array}{c}z(x,y)=\frac{C(x^2+y^2)}{1+{\[1-(1+k)C^2(x^2+y^2)\]}^{1/2}}\\ +c_4{y}^2+c_6{x}^2\\ +c_7{y}^3+c_9{\mathrm{yx}}^2\\ +c_{11}{y}^4+c_{13}{y}^2{x}^2+c_{15}{x}^4\\ +c_{16}{y}^5+c_{18}{y}^3{x}^2+c_{20}{\mathrm{yx}}^4\\ +c_{22}{y}^6+c_{24}{y}^4{x}^2+c_{26}{y}^2{x}^4+c_{28}{x}^6\\ +c_{29}{y}^7+c_{31}{y}^5{x}^2+c_{33}{y}^3{x}^4+c_{35}{\mathrm{yx}}^6\\ +...\end{array}---\left(b\right)$

其中C为曲面曲率半径，c_j为多项式系数；

$z=\frac{{\mathrm{cx}}^2}{1+{\[1-(1+k)c^2{x}^2\]}^{1/2}}+\underset{\‾}{A}{x}^4+\underset{\‾}{B}{x}^6+\underset{\‾}{C}{x}^8+\underset{\‾}{D}{x}^{10}---\left(c\right)$

其中c为曲率半径，k为二次曲面系数，A，B，C，D分别为4，6，8，10阶非球面系数。

3.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的平板波导增强现实眼镜，其特征在于，所述半透半反膜与所述光波导片的下表面呈一夹角，所述角度为20～30度。

4.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的平板波导增强现实眼镜，其特征在于，所述光波导片厚度为1.8mm～2.2mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的平板波导增强现实眼镜，其特征在于，所述微型图像显示器包括一LCOS投影模组，所述镜架一侧的镜腿设有第一中空腔，所述第一中空腔设有一透光口，所述透光口处安装有LCOS投影模组，所述LCOS投影模组的投影口朝向所述耦合棱镜的透射曲面。

6.根据权利要求5所述的一种基于自由曲面的平板波导增强现实眼镜，其特征在于，所述镜架另一侧的镜腿设有第二中空腔，所述第二中空腔设有一开口，所述开口朝向镜片前方，所述第二中空腔内设有一测距装置，所述测距装置连接至一微型处理器系统，所述微型处理器系统还连接所述微型图像显示器。

7.根据权利要求6所述的一种基于自由曲面的平板波导增强现实眼镜，其特征在于，所述镜架还安装有一影像采集装置，所述影像采集装置设有至少一个摄像头，所述摄像头连接所述微型处理器系统，所述微型处理器系统连接一触摸屏系统，所述触摸屏系统设有一用于感应触摸动作的触摸感应膜，所述触摸感应膜贴在所述镜片前方。

8.根据权利要求7所述的一种基于自由曲面的平板波导增强现实眼镜，其特征在于，所述触摸感应膜贴通过紧压式固定方式，所述触摸感应膜贴周边圈沿绕一圈泡棉。

9.根据权利要求7所述的一种基于自由曲面的平板波导增强现实眼镜，其特征在于，所述镜架还安装有一语音采集装置，所述语音采集装置设有至少一个麦克风，所述麦克风连接所述微型处理器系统，所述麦克风固定在镜腿中部，所述麦克风感应方向垂直向下。