CN106950700A - 一种微投影机分离的增强现实眼镜装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微投影机分离的增强现实眼镜装置，包括眼镜、成像系统、驱动及图像信号处理盒、信号源；信号源发出的影像信号经USB接口由驱动及图像信号处理盒转换为RGB光源信号通过光纤传输至成像系统；成像系统中的扫描装置由信号源经驱动及图像信号处理盒通过电线提供电源，驱动及图像信号处理盒产生驱动信号由电线传至成像系统；成像系统中的光信号再出射至眼镜镜片，让使用者通过镜片得以看见清晰的动态影像。本发明采用光纤以及电线将微投影机与眼镜相连的方式简化增强现实眼镜的佩戴；提供基于MEMS芯片扫描、锥形光纤扫描、光学相位阵列扫描的三种成像系统装置，易于集成且成像质量高。本发明具有体积小、高分辨率、高精度显示成像的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种轻型增强现实眼镜的设计，尤其涉及一种部分微投影机与眼镜分离的增强现实眼镜装置。
背景技术
当前，增强现实(Augmented Reality，AR)技术作为热门科技现已获得不少关注，无论是科研机构还是产品公司都在争相推出能普及的便携式AR眼镜。不同于虚拟现实(Virtual Reality，VR)的完全虚拟影像，AR是建立在真实世界中的的虚拟文字或者图像，通过使用者的手势、声音等信息发出指令，改变虚拟信息内容并与周围环境完美地融合在一起。
AR现有2种常见的处理模式：利用显示面板加上相机模组，依靠相机模组获得原本使用者可看见的真实影像，经影像加工处理后，透过显示面板呈现真实与虚拟影像的结合，以达到AR效果，常见于智慧型手机、平板机与掌上型游戏机等；或是透过AR眼镜的透明镜片让使用者可直接看到外界影像，再通过投影方式叠上虚拟影像，让使用者处在真实环境中接收投影机内的虚拟信息。
目前，AR眼镜属于穿戴型显示面板类型，主要由镜片、镜架、微投影仪、摄像头等感应器及其控制或驱动芯片组成。不像VR眼镜基本上做成头盔式，AR眼镜力求轻便易携带，在普通眼镜的框架下加入前置摄像头与镜架微投影仪设备，比起头盔式更适合日常使用。安装于镜架处的微投影仪主要由红绿蓝(Red Green Blue，RGB)光源、光源散热装置、数字光学处理(Digital Light Processing，DLP)的微反射镜阵列或硅基液晶(Liquid Crystalon Silicon，LCOS)组成。由于组成部分较多且集成化有限，微投影仪对于使用者来说依旧是个很重的佩戴负担，镜架过重会给鼻梁以及耳朵造成很大的压力，体积过大不方便使用者随身携带，不利于AR眼镜的轻便化小型化。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，一种可将投影仪部件与镜架分离的轻便型AR眼镜装置，旨在有效解决投影仪与镜架组合过重且体积较大的问题，以服务于新一代AR眼镜，本发明装置体积小、重量轻、易于使用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种微投影机分离的增强现实眼镜装置，该装置包括：眼镜、成像系统、驱动及图像信号处理盒、信号源、光纤和电线；信号源发出的影像信号经USB接口由驱动及图像信号处理盒转换为RGB光源信号通过光纤传输至成像系统；成像系统中的扫描装置由信号源经驱动及图像信号处理盒通过电线提供电源，驱动及图像信号处理盒产生驱动信号由电线传至成像系统；成像系统中的光信号再出射至眼镜镜片，让使用者通过镜片得以看见清晰的动态影像。
进一步地，所述驱动及图像信号处理盒中，将RGB光源耦合至光纤的结构包括：RGB光源贴片阵列、第一微透镜阵列、第二微透镜阵列和平面光波导；RGB光源贴片阵列中的每个光源发出的光依次经过两个对准的第一微透镜阵列、第二微透镜阵列的微透镜，两片微透镜将光束聚焦调整成适合平面光波导耦合的光束后入射至平面光波导中对应的耦合功率合成波导处，功率合成波导最终将三原色汇聚在一条波导中，并耦合至光纤输出光源信号。
进一步地，所述RGB光源贴片阵列为RGB三原色LED贴片阵列或RGB三原色激光LD贴片阵列；所述光纤为石英或塑料的多模或单模光纤。
进一步地，所述成像系统包括：微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)光束扫描单元和成像透镜组；驱动及图像信号处理盒输出的RGB光源信号通过光纤照射到MEMS光束扫描单元上，MEMS光束扫描单元根据驱动及图像信号处理盒提供的驱动信号完成角度扫描。经MEMS光束扫描单元反射的信号光通过成像透镜组调整光束，然后照射到眼镜的波导上完成光信号传输。
进一步地，所述成像系统包括：谐振扫描单元、反射镜和成像透镜组；驱动及图像信号处理盒输出的RGB光源信号通过光纤传输，光纤的末端进行拉锥处理形成锥形光纤并固定于谐振扫描单元上，谐振扫描单元根据驱动及图像信号处理盒提供的驱动信号完成对锥形光纤的点扫描。锥形光纤端面出射的信号光经反射镜反射至成像透镜组调整光束，然后照射到眼镜的波导上完成光信号传输。
进一步地，所述成像系统包括：光学相位控制阵列和成像透镜组；驱动及图像信号处理盒输出的RGB光源信号通过光纤照射到光学相位控制阵列上，光学相位控制阵列根据驱动及图像信号处理盒提供的驱动信号完成对光束的各个子光束的相移控制。经光学相位控制阵列出射的信号光依据相位分配情况，输出角度可控的光束，在空间扫描成像，经成像透镜组调整光束，然后照射到眼镜的波导上完成光信号传输。
本发明的有益效果是：
1、本发明将微投影机与镜架分离，将其模块化为驱动及图像信号处理盒直接与影像信号源连接，并用光纤以及电线连接成像系统与驱动及图像信号处理盒，具有轻捷便利、易于收纳、便于佩戴使用的特点。
2、本发明提供了三种成像系统装置：MEMS光束扫描单元扫描装置体积小、便于集成，像素点小、分辨率高；锥形光纤扫描装置在与LCOS芯片、DLP芯片同样的分辨率条件下物面更小，光学装置集成体积更小、物点更为近轴，因而像差更为可控，成像质量均匀性更好；光学相位控制阵列扫描装置为固态扫描件，避免了机械扫描结构中各种不稳定因素，抗震、抗抖动干扰，可靠性高。
附图说明
图1为本发明微投影机分离的增强现实眼镜装置示意图；
图2为本发明中将RGB光源耦合至光纤的结构装置示意图；
图3为本发明的第一种成像系统装置；
图4为本发明的第二种成像系统装置；
图5为本发明的第三种成像系统装置；
图中，眼镜1、成像系统2、驱动及图像信号处理盒3、信号源4、光纤5、电线6、RGB光源贴片阵列7、第一微透镜阵列8、第二微透镜阵列9、平面光波导10、MEMS光束扫描单元11、成像透镜组12、谐振扫描单元13、反射镜14、光学相位控制阵列15。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种微投影机分离的增强现实眼镜装置，该装置包括：眼镜1、成像系统2、驱动及图像信号处理盒3、信号源4、光纤5和电线6；信号源4发出的影像信号经USB接口由驱动及图像信号处理盒3转换为RGB光源信号通过光纤5传输至成像系统2；成像系统2中的扫描装置由信号源4经驱动及图像信号处理盒3通过电线6提供电源，驱动及图像信号处理盒3产生驱动信号由电线6传至成像系统2；成像系统2中的光信号再出射至眼镜1镜片，让使用者通过镜片1得以看见清晰的动态影像。
本发明的工作原理如下：驱动及图像信号处理盒通过USB接口采集信号源的影像信号，将驱动及图像信号处理盒内的RGB光源调制成影像对应的RGB信号通过光纤输出到成像系统；并通过USB接口由信号源完成对扫描装置的供电，通过与光纤并行的电线控制成像系统中的扫描装置，完成对光纤出射光信号的扫描。扫描后的光信号经成像系统中的成像透镜组调整光束成平行光出射至眼镜镜片上的波导，完成光信号的传输。
上述装置中，信号源可以是手机、电视等视频显示设备或移动硬盘、计算机等视频存储设备。
上述装置中，光纤可运用石英或塑料多模或单模光纤外加保护层形成单光纤光缆结构，并与电线包装在同一塑料包层内，作为驱动及图像信号处理盒内的RGB光源、扫描驱动与成像系统的单线连接装置，易于弯曲收纳也可展开使用，便于使用者佩戴眼镜。
上述装置中，通过光纤传输的RGB光源与眼镜分离，大幅度减少眼镜上微投影部件的重量和体积。其重要原因是，目前无论是LED或LD的RGB光源，工作效率低于50％，不仅需要光束整形部件，而且需要体积较大的散热元件。
如图2所示，本发明提供了一种将RGB光源耦合至光纤的结构装置，该装置包括：RGB光源贴片阵列7、第一微透镜阵列8、第二微透镜阵列9和平面光波导10；所述RGB光源贴片阵列7为RGB三原色LED贴片阵列或RGB三原色激光LD贴片阵列；RGB光源贴片阵列7中的每个光源发出的光依次经过两个对准的第一微透镜阵列8、第二微透镜阵列9的微透镜，两片微透镜将光束聚焦调整成适合平面光波导10耦合的光束后入射至平面光波导10中对应的耦合功率合成波导处，功率合成波导最终将三原色汇聚在一条波导中，并耦合至光纤5输出光源信号，所述光纤5为石英或塑料的多模或单模光纤。
上述装置中，RGB光源贴片阵列7为RGB三原色LED贴片阵列或RGB三原色激光LD贴片阵列；红、绿、蓝三色光源的波长分别为620-625nm、520-525nm、460-465nm，每个光源需要两个微透镜将发射的光束聚焦输出到平面光波导的耦合段，合束后的平面光波导再将信号光耦合至光纤传输。
如图3-5所示，本发明中的成像系统装置可以有三种实现方法：
第一种为MEMS光束扫描单元扫描装置。信号源经再调制形成的RGB光源信号由光纤传输至眼镜镜片边缘作为光源照射到MEMS光束扫描单元上，通过与光纤并行的电线接入扫描驱动发出的与RGB光源调制信号同步的MEMS光束扫描单元微反射镜扫描信号，使MEMS光束扫描单元反射出与信号源同步的影像至成像透镜组。成像透镜组调整MEMS光束扫描单元反射的信号光束成为平行光，再入射至眼镜镜片上的波导完成光信号的传输。
上述系统中，扫描驱动通过电线将驱动信号发送至MEMS光束扫描单元(例如TexasInstrument的DLP系列产品)，其扫描驱动信号与RGB光源调制信号同步，使光源在提供不断变化的RGB信号的同时MEMS光束扫描单元上的微反射镜产生与之对应的反射角度，因而扫描反射出与信号源同步的影像。MEMS光束扫描单元扫描反射后的信号光再通过成像透镜组调整光束，使之成为平行光，便于与眼镜镜片中的波导耦合并传输。
如图3所示，为实现上述方法提供的成像系统包括：微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)光束扫描单元11和成像透镜组12；驱动及图像信号处理盒3输出的RGB光源信号通过光纤5照射到MEMS光束扫描单元11上，MEMS光束扫描单元11根据驱动及图像信号处理盒3提供的驱动信号完成角度扫描。经MEMS光束扫描单元11反射的信号光通过成像透镜组12调整光束，然后照射到眼镜1的波导上完成光信号传输。
第二种为锥形光纤扫描装置。信号源经再调制形成的RGB光源信号由光纤传输至眼镜镜片边缘的谐振扫描单元，光纤末端做拉锥处理后固定在谐振扫描单元上，其扫描驱动信号由与光纤并行的电线接入，完成与RGB光源调制信号同步的锥形光纤快速点扫描，使反射镜上形成与信号源同步的影像。成像透镜组调整反射镜反射的信号光束成为平行光，再入射至眼镜镜片上的波导完成光信号的传输。
上述系统中，光纤末端做拉锥处理后，由于锥形端透镜的聚焦作用，出射的光斑在焦平面直径可小至0.5-0.8微米。现有的LCOS芯片，例如Himax的LCOS系列产品HX7318CTJPB，1366×768p的单像素点大小为6×6微米，对角线物面尺寸9.40mm；现有的DLP芯片，例如Texas Instrument的DLP系列产品DLP4501，1280×800p的单像素点直径7.6微米，对角线物面尺寸11.43mm。而锥形光纤的像素尺寸直径在0.4-0.6微米，所以锥形光纤扫描方法在同样的分辨率条件下物面更小，光学装置集成体积更小、物点更为近轴，因而像差更为可控，成像质量均匀性更好。
上述系统中，反射镜置于锥形光纤端面出射光斑的焦平面，谐振扫描单元控制锥形光纤在反射镜上做逐行点扫描，其驱动信号与RGB光源调制信号同步，使谐振扫描单元在光源提供不断变化的RGB信号的同时在反射镜上扫描投射出与之同步的各颜色影像。反射镜反射后的信号光再通过成像透镜组调整光束，使之成为平行光，便于与眼镜镜片中的波导耦合并传输。由于人眼存在视觉延迟，快速逐行点扫描形成的影像对人眼来说是连续不断的，所以不会对使用者造成频闪的影响，进而在人脑中合成色彩连续的高分辨图像。
如图4所示，为实现上述方法提供的成像系统包括：谐振扫描单元13、反射镜14和成像透镜组12；驱动及图像信号处理盒3输出的RGB光源信号通过光纤5传输，光纤5的末端进行拉锥处理形成锥形光纤并固定于谐振扫描单元13上，谐振扫描单元13根据驱动及图像信号处理盒3提供的驱动信号完成对锥形光纤的点扫描。锥形光纤端面出射的信号光经反射镜14反射至成像透镜组12调整光束，然后照射到眼镜1的波导上完成光信号传输。
第三种为光学相位控制阵列扫描装置。信号源经再调制形成的RGB光源信号由光纤传输至眼镜镜片边缘作为光源照射到光学相位控制阵列上，通过与光纤并行的电线接入控制驱动发出的与RGB调制信号同步的光学相位控制阵列扫描信号，使光学相位控制阵列透射出与信号源同步的影像至成像透镜组。光学相位控制阵列实现对入射光束的高速偏转，使视频传输的图像各像素呈现于物面，成像透镜组调整光学相位控制阵列透射的信号光束成为平行光，再入射至波导完成光信号的传输。
上述系统中，光学相位控制阵列通过波导将光束分束，每束光相当于单像素点由波导传递至相位调节器，每个相位调节器尺寸在2μm量级。控制驱动通过施加不同的电压和阻尼调节相位调节器对光束的相移，使不同位置的光束产生不同的相移，因而可以还原出信号源的图像。由于相位调节只对单波长的光起作用，彩色信号需要在RGB光源信号中产生对应的时序信号，将不同时刻的光偏转不同的相移再出射至成像透镜组。由于人眼存在视觉延迟，时序相移扫描形成的影像对人眼来说是连续不断的，所以不会对使用者造成频闪的影响。成像透镜组调整光束使之成为平行光，便于与眼镜镜片中的波导耦合并传输。
如图5所示，为实现上述方法提供的成像系统包括：光学相位控制阵列15和成像透镜组12；驱动及图像信号处理盒3输出的RGB光源信号通过光纤5照射到光学相位控制阵列15上，光学相位控制阵列15根据驱动及图像信号处理盒3提供的驱动信号完成对光束的各个子光束的相移控制。经光学相位控制阵列15出射的信号光依据相位分配情况，输出角度可控的光束，在空间扫描成像，经成像透镜组12调整光束，然后照射到眼镜1的波导上完成光信号传输。
Claims (6)
1.一种微投影机分离的增强现实眼镜装置，其特征在于，该装置包括：眼镜(1)、成像系统(2)、驱动及图像信号处理盒(3)、信号源(4)、光纤(5)和电线(6)；信号源(4)发出的影像信号经USB接口由驱动及图像信号处理盒(3)转换为RGB光源信号通过光纤(5)传输至成像系统(2)；成像系统(2)中的扫描装置由信号源(4)经驱动及图像信号处理盒(3)通过电线(6)提供电源，驱动及图像信号处理盒(3)产生驱动信号由电线(6)传至成像系统(2)；成像系统(2)中的光信号再出射至眼镜(1)镜片，让使用者通过镜片(1)得以看见清晰的动态影像。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动及图像信号处理盒(3)中，将RGB光源耦合至光纤的结构包括：RGB光源贴片阵列(7)、第一微透镜阵列(8)、第二微透镜阵列(9)和平面光波导(10)；RGB光源贴片阵列(7)中的每个光源发出的光依次经过两个对准的第一微透镜阵列(8)、第二微透镜阵列(9)的微透镜，两片微透镜将光束聚焦调整成适合平面光波导(10)耦合的光束后入射至平面光波导(10)中对应的耦合功率合成波导处，功率合成波导最终将三原色汇聚在一条波导中，并耦合至光纤(5)输出光源信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述RGB光源贴片阵列(7)为RGB三原色LED贴片阵列或RGB三原色激光LD贴片阵列；所述光纤(5)为石英或塑料的多模或单模光纤。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述成像系统(2)包括：MEMS光束扫描单元(11)和成像透镜组(12)；驱动及图像信号处理盒(3)输出的RGB光源信号通过光纤(5)照射到MEMS光束扫描单元(11)上，MEMS光束扫描单元(11)根据驱动及图像信号处理盒(3)提供的驱动信号完成角度扫描。经MEMS光束扫描单元(11)反射的信号光通过成像透镜组(12)调整光束，然后照射到眼镜(1)的波导上完成光信号传输。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述成像系统(2)包括：谐振扫描单元(13)、反射镜(14)和成像透镜组(12)；驱动及图像信号处理盒(3)输出的RGB光源信号通过光纤(5)传输，光纤(5)的末端进行拉锥处理形成锥形光纤并固定于谐振扫描单元(13)上，谐振扫描单元(13)根据驱动及图像信号处理盒(3)提供的驱动信号完成对锥形光纤的点扫描。锥形光纤端面出射的信号光经反射镜(14)反射至成像透镜组(12)调整光束，然后照射到眼镜(1)的波导上完成光信号传输。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述成像系统(2)包括：光学相位控制阵列(15)和成像透镜组(12)；驱动及图像信号处理盒(3)输出的RGB光源信号通过光纤(5)照射到光学相位控制阵列(15)上，光学相位控制阵列(15)根据驱动及图像信号处理盒(3)提供的驱动信号完成对光束的各个子光束的相移控制。经光学相位控制阵列(15)出射的信号光依据相位分配情况，输出角度可控的光束，在空间扫描成像，经成像透镜组(12)调整光束，然后照射到眼镜(1)的波导上完成光信号传输。
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