CN106896505A - 一种适配手机的增强现实头戴设备及其光学模组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适配手机的增强现实头戴设备及其光学模组，该光学模组包括：相对设置的曲面透镜以及平面透镜；所述手机的显示屏出射的第一光学图像信息经过所述平面透镜反射至所述曲面透镜，再经过所述曲面透镜反射至所述平面透镜，再透过所述平面透镜出射；来自目标景物的第二光学图像信息依次透过所述曲面透镜以及所述平面透镜后出射；经过所述平面透镜出射的所述第一光学图像信息以及所述第二光学图像信息形成叠加图像。可见，本发明技术方案的光学模组通过一曲面透镜以及一平面透镜即可实现增强现实图像显示，光学模组结构简单，制作成本低，便于智能穿戴设备使用以及普及。

Description

一种适配手机的增强现实头戴设备及其光学模组
技术领域
本发明涉及智能穿戴电子设备技术领域，更具体的说，涉及一种适配手机的增强现实头戴设备及其光学模组。
背景技术
随着科学技术的不断发展，越来越多的显示设备被广泛的应用于人们的日常生活以及工作当中，为人们的日常生活以及工作带来了巨大的便利，成为当今人们不可或缺的重要工具。
头戴显示设备一般分为AR设备(增强现实设备)以及VR设备(虚拟现实设备)以及MR设备(混合显示设备)等。其中，AR设备原理是人眼既可以获取真实世界的景物信息同时也要获得显示屏显示的图像信息，两个路径的图像信息在人眼处融合，形成叠加图像。
现有的头戴显示设备中，为了实现增强现实显示，通常所用的光学模组分为两种形式：光波导形式和自由曲面棱镜形式两种方式。这两种形式的光学模组均结构复杂，制作成本高，不便于头戴显示设备的使用以及普及。
发明内容
为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种适配手机的增强现实头戴设备及其光学模组，光学模组仅具有一曲面透镜以及一平面透镜，即可实现增强现实图像显示，光学模组结构简单，制作成本低，便于头戴显示设备使用以及普及。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种光学模组，用于适配手机的增强现实头戴设备，所述光学模组包括：相对设置的曲面透镜以及平面透镜；
所述手机的显示屏出射的第一光学图像信息经过所述平面透镜反射至所述曲面透镜，再经过所述曲面透镜反射至所述平面透镜，再透过所述平面透镜出射；来自目标景物的第二光学图像信息依次透过所述曲面透镜以及所述平面透镜后出射；
经过所述平面透镜出射的所述第一光学图像信息以及所述第二光学图像信息形成叠加图像。
优选的，在上述光学模组中，所述曲面透镜具有相对设置的凹表面以及凸表面；所述凹表面与所述凸表面具有相同的曲率半径；
所述平面透镜具有相对设置的第一平面以及第二平面，所述第一平面朝向所述曲面透镜的凹表面。
优选的，在上述光学模组中，所述凹表面以及凸表面均为球面。
优选的，在上述光学模组中，所述曲面透镜的光轴平行于一参考平面；所述平面透镜与所述参考平面相交，且二者夹角不等于90°；
其中，所述手机的显示屏平行于所述参考平面。
优选的，在上述光学模组中，所述平面透镜与所述参考平面具有45°的夹角。
优选的，在上述光学模组中，所述凹表面覆盖有第一半反半透膜，所述第一平面覆盖有第二半反半透膜。
优选的，在上述光学模组中，所述手机的显示屏的长度为L，单眼视场角为α；所述曲面透镜的光轴与所述第一平面的交点到所述手机的显示屏的距离为d3，所述交点与所述凸表面的距离为d2；
其中，
优选的，在上述光学模组中，所述曲面透镜的光轴与所述第一平面的交点与所述手机的显示屏的距离为d3，所述交点与所述凸表面的距离为d2；
所述光学模组的有效焦距等于d3+d2。
优选的，在上述光学模组中，还包括：
覆盖所述第二平面的减反膜。
本发明还提供了一种适配手机的增强现实头戴设备，所述增强现实头戴设备包括：
头戴设备主体，所述头戴设备主体用于将所述增强现实头戴设备固定在用户的头部预设位置；所述头戴设备主体具有用于放置的手机的固定装置；
设置在所述头戴设备主体上的第一镜片模组以及第二镜片模组，所述第一镜片模组以及所述第二镜片模组均包括如权利要求1-9任一项所述的光学模组；
其中，在进行增强现实图像显示时，所述手机的显示屏分为两个显示区域，以进行分屏显示，两个显示区域均显示第一光学图像信息；一个显示区域出射的第一光学图像信息用于入射所述第一镜片模组的光学模组，另一个显示区域出射的第一光学图像信息用于入射所述第二镜片模组的光学模组。
优选的，在上述增强现实头戴设备中，所述曲面透镜的光轴平行于所述参考面；
所述手机的显示屏平行于所述参考面，且朝向所述光轴设置。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的适配手机的增强现实头戴设备及其光学模组中，光学模组通过一曲面透镜以及一平面透镜即可实现增强现实图像显示，具体的，所述手机的显示屏出射的第一光学图像信息经过所述平面透镜反射至所述曲面透镜，再经过所述曲面透镜反射至所述平面透镜，再透过所述平面透镜出射；来自目标景物的第二光学图像信息依次透过所述曲面透镜以及所述平面透镜后出射。进行增强现实图像显示时，经过所述平面透镜出射的所述第一光学图像信息以及所述第二光学图像信息形成叠加图像展示给用户。可见，本发明技术方案中所述光学模组结构简单，制作成本低，便于头戴显示设备使用以及普及。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种光学模组的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的所述光学模组的设计原理示意图；
图3为本发明实施例提供的一种光学模组的调制传递函数的曲线图像；
图4为本发明实施例提供的一种适配手机的增强现实头戴设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种光学模组的结构示意图，该光学模组用于适配手机的增强现实头戴设备，该光学模组包括：相对设置的曲面透镜2以及平面透镜3。
所述手机1的显示屏出射的第一光学图像信息经过所述平面透镜3反射至所述曲面透镜2，再经过所述曲面透镜2反射至所述平面透镜3，再透过所述平面透镜3出射；来自目标景物的第二光学图像信息依次透过所述曲面透镜2以及所述平面透镜3后出射。
其中，进行增强现实图像显示时，经过所述平面透镜3出射的所述第一光学图像信息以及所述第二光学图像信息形成叠加图像展示给用户。
可见，本发明实施例所述光学模组中，具有两个光路，分别用于传递手机1的显示屏显示的第一光学图像信息以及真实世界的目标景物的第二光学图像信息。两个光路中传播的第一光学图像信息以及第二光学图像信息均通过所述平面透镜3出射，以展示给用户。
通过上述描述可知，本发明实施例所述光学模组仅具有一曲面透镜以及一平面透镜，即可实现增强现实图像显示，光学模组结构简单，制作成本低，便于智能穿戴设备使用以及普及。
如图1所示，所述曲面透镜2具有相对设置的凹表面212以及凸表面211；所述平面透镜3具有相对设置的第一平面311以及第二平面312。所述第一平面311朝向所述曲面透镜2的凹表面212。
所述凹表面212与所述凸表面211具有相同的曲率半径，如二者可以均为球面。所述曲面透镜2的光轴平行于一参考平面P1；所述凹表面212覆盖有第一半反半透膜。图1中未示出所述第一半反半透膜。所述第一平面311覆盖有第二半反半透膜；所述第二半反半透膜朝向所述第一半反半透膜，且朝向所述手机1的显示屏；所述平面透镜3与所述参考平面P1相交，且二者夹角不等于90°，具体的，设置所述平面透镜3与所述参考平面P1具有45°的夹角。图1中未示出所述第二半反半透膜。其中，所述手机1的显示屏平行于所述参考平面P1。
如上述，本发明实施例所述光学模组具有两个光路，手机1的显示屏显示的第一光学图像信息经过的光路是：第一平面311-凹表面212-第一平面311-第二平面312-人眼4；目标景物的第二光学图像信息经过的光路是：凸表面211-凹表面212-第一平面311-第二平面312-人眼4。
为了使得所述光学模组的制作工艺简单，制作成本低，本发明实施例中，设置所述凹表面212以及凸表面211均为球面。同时，可以采用透明塑料材料制备所述曲面透镜2，便于曲面透镜2的塑型。
为了避免平面透镜3的第二平面312产生强反射，导致炫目感，影响用户的视觉体验，所述光学模组还包括：覆盖所述第二平面312的减反膜。图1中未示出所述减反膜。
参考图2，图2为本发明实施例提所述光学模组的设计原理示意图，所述平面透镜3与所述参考平面P1具有45°的夹角β。曲面透镜2的光轴与参考平面P1平行，图2中，曲面透镜2的光轴位于参考平面P1内。这样，便于曲面透镜2和平面透镜3的相对位置的固定安装。
当进行增强现实显示时，手机1的显示屏与所述光学模组的相对位置固定，手机1的显示屏平行于所述参考面P1。在三维直角坐标系O-XYZ中，所述参考平面P1平行于XY平面，Z轴正向为平面透镜3指向手机1的方向。
设定所述手机1的显示屏的长度为L，即显示屏在Y轴方向的长度。Y轴垂直于所述曲面透镜2的光轴。设定单眼视场角为α；所述曲面透镜2的光轴与所述第一平面311的交点到所述手机的显示屏的距离为d3，所述交点到所述凸表面211的距离为d2。设定第二平面312到人眼的距离为d1。
单眼视场角为α为已知参数，可以根据需求设定。如可以设定α＝45°。L、α、d3以及d2满足公式(1)，公式(1)为：
设定所述光学模组的有效焦距为EFL，则有效焦距为EFL如公式(2)所示，公式(2)为：
EFL＝d3+d2 (2)
基于上述公式(1)和所述公式(2)布置曲面透镜2、平面透镜3以及手机的相对位置关系，便于三者相对位置关系的布局。
需要说明的是，上述公式(1)和所述公式(2)中等式两边不是绝对的相等关系，允许不超过1mm的误差。
当采用手机1的显示屏长度为104mm时，单眼显示区域长度为52mm。定义单眼视场角α＝45°，d1＝52mm，d2＝30mm，d3＝32mm。可以计算得出EFL＝62mm。所述曲面透镜2的尺寸为64mm×46mm×2mm，也就是说，曲面透镜2在Y轴上的长度为64mm，在Z轴的宽度为46mm，在X轴的厚度为2mm；所述平面透镜3的尺寸为64mm×63mm×2mm，也就是说，所述平面透镜3在Y轴上的长度为64mm，在Z轴的宽度为63mm，在X轴的厚度为2mm。设置所述凹表面212以及凸表面211的曲率半径均为124mm。基于上述参数的所述光学模组，其调制传递函数(MTF)的曲线图像如图3所示。
参考图3，图3为本发明实施例提供的一种光学模组的调制传递函数的曲线图像。图3中，横轴表示每毫米周期的空间频率(SPATIAL FREQUENCY IN CYCLES PERMILLIMETER)，单位是lp/mm(线对/毫米)；纵轴表示光学传递函数的模(MODULUS OF THEOTF)，纵轴表示光学传递函数的模为归一化值，无量纲。
图3中，T表示光学模组中子午方向，S表示光学模组中的弧矢反向。DEG表示角度单位度(°)。通过图3可以看出，所述光学模组可以对手机的显示屏的中心区域得到良好的成像效果，边缘效果略差。
通过上述描述可知，本发明实施例所述光学模组中，仅具有一曲面透镜以及一平面透镜，即可实现增强现实图像显示，光学模组结构简单，制作成本低，便于智能穿戴设备使用以及普及。
基于上述光学模组实施例，本发明另一实施例还提供了一种适配手机的增强现实头戴设备，该适配手机的增强现实头戴设备如图4所示。
参考图4，图4为本发明实施例提供的一种适配手机的增强现实头戴设备的结构示意图，该适配手机的增强现实头戴设备包括：头戴设备主体41；设置在所述头戴设备主体41上的第一镜片模组42以及第二镜片模组43。
所述头戴设备主体41用于将所述增强现实头戴设备固定在用户的头部预设位置，所述头戴设备主体41具有用于放置的手机1的固定装置44。所述第一镜片模组42以及所述第二镜片模组43均包括上述实施例所述的光学模组。
其中，在进行增强现实图像显示时，所述手机1的显示屏分为两个显示区域，以进行分屏显示，两个显示区域均显示第一光学图像信息；一个显示区域出射的第一光学图像信息用于入射所述第一镜片模组42的光学模组，另一个显示区域出射的第一光学图像信息用于入射所述第二镜片模组43的光学模组。
如上述实施例所述，两个所述光学模组的曲面透镜均垂直于一参考面，也就是说，两个所述光学模组中，所述曲面透镜的光轴均平行于所述参考面，所述手机的显示屏平行于所述参考面，且朝向所述光轴设置，以便于部件之间的相对位置的安装固定。
图4在AA’上的切面图如图2所示，该切面图中第一镜片模组42的光学模组中曲面透镜、平面透镜以及手机的相对位置关系参考图2所示，在此不再赘述。
通过上述描述可知，本发明实施例所述适配手机的增强现实头戴设备中，仅两个上述光学模组以及匹配的头戴设备主体即可通过手机实现增强现实显示，结构简单，制作成本低，便于智能穿戴设备使用以及普及。
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的适配手机的增强现实头戴设备而言，由于其与实施例公开的光学模组相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见光学模组相关部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种光学模组，用于适配手机的增强现实头戴设备，其特征在于，所述光学模组包括：相对设置的曲面透镜以及平面透镜；
所述手机的显示屏出射的第一光学图像信息经过所述平面透镜反射至所述曲面透镜，再经过所述曲面透镜反射至所述平面透镜，再透过所述平面透镜出射；来自目标景物的第二光学图像信息依次透过所述曲面透镜以及所述平面透镜后出射；
经过所述平面透镜出射的所述第一光学图像信息以及所述第二光学图像信息形成叠加图像。
2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述曲面透镜具有相对设置的凹表面以及凸表面；所述凹表面与所述凸表面具有相同的曲率半径；
所述平面透镜具有相对设置的第一平面以及第二平面，所述第一平面朝向所述曲面透镜的凹表面。
3.根据权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述凹表面以及凸表面均为球面。
4.根据权利要求2所述的光学膜组，其特征在于，所述曲面透镜的光轴平行于一参考平面；所述平面透镜与所述参考平面相交，且二者夹角不等于90°；
其中，所述手机的显示屏平行于所述参考平面。
5.根据权利要求4所述的光学模组，其特征在于，所述平面透镜与所述参考平面具有45°的夹角。
6.根据权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述凹表面覆盖有第一半反半透膜，所述第一平面覆盖有第二半反半透膜。
7.根据权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述手机的显示屏的长度为L，单眼视场角为α；所述曲面透镜的光轴与所述第一平面的交点到所述手机的显示屏的距离为d3，所述交点与所述凸表面的距离为d2；
其中，
8.根据权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述曲面透镜的光轴与所述第一平面的交点与所述手机的显示屏的距离为d3，所述交点与所述凸表面的距离为d2；
所述光学模组的有效焦距等于d3+d2。
9.根据权利要求2所述的光学模组，其特征在于，还包括：
覆盖所述第二平面的减反膜。
10.一种适配手机的增强现实头戴设备，其特征在于，包括：
头戴设备主体，所述头戴设备主体用于将所述增强现实头戴设备固定在用户的头部预设位置；所述头戴设备主体具有用于放置的手机的固定装置；
设置在所述头戴设备主体上的第一镜片模组以及第二镜片模组，所述第一镜片模组以及所述第二镜片模组均包括如权利要求1-9任一项所述的光学模组；
其中，在进行增强现实图像显示时，所述手机的显示屏分为两个显示区域，以进行分屏显示，两个显示区域均显示第一光学图像信息；一个显示区域出射的第一光学图像信息用于入射所述第一镜片模组的光学模组，另一个显示区域出射的第一光学图像信息用于入射所述第二镜片模组的光学模组。
11.根据权利要求10所述的增强现实头戴设备，其特征在于，所述曲面透镜的光轴平行于所述参考面；
所述手机的显示屏平行于所述参考面，且朝向所述光轴设置。
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