CN106997099A - 一种基于透明显示屏的ar光学模组及产品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于透明显示屏的AR光学模组及产品，包括镜组和密封固定外壳，密封固定外壳设置于镜组外部并包覆所述镜组，镜组还包括第一凸透镜、透明显示屏和第一凹透镜，第一凸透镜设置于所述透明显示屏前方，第一凹透镜设置于透明显示屏后方，第一凹透镜的外侧设置为平面，使第一凹透镜的第二主焦点与第一凸透镜的第一主焦点重合，形成伽利略式反望远结构。本发明将透明显示屏直接设置在环境光路上，避免了半反射所做成的光损失，在能耗、亮度和色彩方面具有很大优势；本发明可选择性的在透明显示屏外侧设置触摸屏，使用户可通过在屏幕上点击进行直观操作，实现更好的人机交互。

Description

一种基于透明显示屏的AR光学模组及产品

技术领域

本发明涉及计算机视觉领域，尤其涉及一种基于透明显示屏的AR光学模组。

背景技术

增强现实技术（Augmented Reality，简称 AR），是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。目前，AR显示主要采用两种方式：基于Lcos（液晶附硅）的波导技术和基于液晶屏幕和分光镜的半透半反射技术。前者体积小，但很难实现大的视域和高清显示；后者可以实现高清显示和大的视域，但体积比较大，只适合做头盔类应用。同时，因为这两种技术都利用了半透技术，显示屏光路上有较高的光损失，所以在能耗、亮度、色彩上存在很大的缺陷；此外，人机交互是目前AR终端产品的一个短板，尤其是波导片的面积比较小，很难在图像上实现直接的点击。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明提供的一种基于透明显示屏的AR光学模组，将透明显示屏直接设置在环境光路上，避免了半反射所做成的光损失，因此在能耗、亮度和色彩方面具有很大优势；并且，本发明通过设置透明显示屏或液晶快门，使应用多元化，具有VR虚拟现实显示技术的特性；此外，本发明可选择性的在透明显示屏外侧设置触摸屏，使用户可通过在屏幕上点击等方法进行直观操作，实现更好的人机交互。

本发明的技术方案如下：

一种基于透明显示屏的AR光学模组，包括镜组和密封固定外壳，所述密封固定外壳设置于镜组外部并包覆所述镜组，其中，所述镜组还包括第一凸透镜、透明显示屏和第一凹透镜，其中，所述第一凸透镜设置于所述透明显示屏前方，所述第一凹透镜设置于透明显示屏后方，所述第一凹透镜的外侧设置为平面，使第一凹透镜的第二主焦点与第一凸透镜的第一主焦点重合，形成伽利略式反望远结构。

所述的基于透明显示屏的AR光学模组，其中，所述镜组的第一凹透镜平面侧还设置有以平面侧为对称轴对称的第二凹透镜和第二凸透镜，形成对称式的光学结构，用于光路在人眼中1:1的影像还原。

所述的基于透明显示屏的AR光学模组，其中，所述第一凸透镜为第一正焦距菲涅尔透镜，所述第二凸透镜为第二正焦距菲涅尔透镜，所述第一凹透镜为第一负焦距菲涅尔透镜，所述第二凹透镜为第二负焦距菲涅尔透镜。

所述的基于透明显示屏的AR光学模组，其中，所述第二负焦距菲涅尔透镜与第二正焦距菲涅尔透镜之间还设置有光线调节器。

所述的基于透明显示屏的AR光学模组，其中，所述光线调节器为液晶快门或变色镜片。

所述的基于透明显示屏的AR光学模组，其中，所述第二正焦距菲涅尔透镜外侧还紧贴设置有触摸屏。

所述的基于透明显示屏的AR光学模组，其中，所述透明显示屏为液晶、OELD或Micro LED。

一种使用所述的基于透明显示屏的AR光学模组的产品。

有益效果：本发明提供一种基于透明显示屏的AR光学模组，通过将透明显示屏直接安置在环境光路上，避免了半反射所造的光损失，在能耗、亮度和色彩方面具有很大优势；采用高精度菲涅尔透镜，使产品轻量和小型化，广泛适用于各种AR增强现实应用；通过设置液晶快门或变色镜片的方法，使应用多元化，使其具有VR虚拟现实显示技术的特性；此外，本发明可选择在透明显示屏外侧设置触摸屏，使用户可通过在屏幕上点击等方法进行直观操作，实现更好的人机交互。

附图说明

图1为本发明一种基于透明显示屏的AR光学模组的伽利略式反望远结构剖面示意图。

图2为本发明实施例提供的对称式的光学结构示意图。

图3为本发明实施例提供的一种基于透明显示屏的AR光学模组示意图。

1-第一凸透镜；2-透明显示屏；3-第一凹透镜；4-密封固定外壳；5-凸透镜第一正焦距和凹透镜第二正焦距的重合点；6-排线；7-透明显示屏虚像位置；8-眼睛；9-第一正焦距菲涅尔透镜；10-第一负焦距菲涅尔透镜；11-第二正焦距菲涅尔透镜；12-第二负焦距菲涅尔透镜；13-触摸屏；14-液晶快门；15-第二凸透镜；16-第二凹透镜。

具体实施方式

本发明提供一种基于透明显示屏的AR光学模组，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种基于透明显示屏的AR光学模组，包括镜组和密封固定外壳4，密封固定外壳4设置于镜组外部并包覆所述镜组，其中，镜组还包括第一凸透镜1、透明显示屏2和第一凹透镜3，其中，第一凸透镜1设置于透明显示屏2前方，第一凹透镜3设置于透明显示屏2后方，第一凹透镜3的外侧设置为平面(外侧为远离人眼的一侧)，使第一凹透镜3的第二主焦点与第一凸透镜1的第一主焦点5重合，形成伽利略式反望远结构（反望远结构多用于广角镜头设计，就是将望远镜头的光学结构倒转过来使用，原物方变为像方，原像方变为物方，原放大作用变为缩小，伽利略反望远结构是将伽利略望远镜光学结构作反望远镜使用）。本发明通过将透明显示屏2直接设置在环境光路(环境光路是人眼视度范围内物体到眼睛的入射光路)上，避免了半反射所造成的的光损失，从而在能耗、亮度和色彩方面具有相当大的优势；近眼第一凸透镜1使眼睛8能够看到第一凸透镜1焦距以内的物体，使用透明显示屏2代替该物体，在透明显示屏2的虚像位置可以让显示屏上的影像在人眼内成像，在透明显示屏2后方设置第一凹透镜3，使第一凹透镜3的第二主焦点F1和第一凸透镜1的第一主焦点F2重合，这时候环境光路的光学结构符合伽利略式望远镜结构。但是，经本发明人研究发现，本设计将伽利略望远镜光学结构作反望远镜使用，使前方光路平行光进平行光出，使人眼在观察到透明显示屏2影像的同时，也能看到环境的情况，因而使人眼观看到的是缩小了的影像，不符合人的视觉习惯，在实际应用中可能会造成障碍。因此，本发明人设计了一个对称式的光学结构，使其能实现环境光路在人眼中1:1的影像还原。

进一步的，如图2所示，镜组的第一凹透镜3平面侧还设置有以平面侧为对称轴对称的第二凹透镜16和第二凸透镜15，形成对称式的光学结构，用于光路在人眼中1:1的影像还原。对称式的光学结构在保留原伽利略式反望远结构所避免的半反射所造成的光损失外，还能将环境光路在人眼中按1:1的影像还原，解决了人眼观看缩小了的影像，不符合人的视觉习惯的技术问题。

再进一步的，如果仅仅采用传统透镜的方式，只适合较大的应用场景，例如望远镜等。若要实现产品轻量和小型化，则需要薄尺寸的透镜。在结合实际需求的情况下，本发明人研究发现，用高精度的菲涅尔透镜代替传统的凹透镜和凸透镜不仅可以提供高清大视域，还能实现产品的便携小型化。此外，为了保障获得优质的光学质量，本发明人提供了一种完善光学模组。参见图3，所述第一凸透镜1为第一正焦距菲涅尔透镜9，所述第二凸透镜15为第二正焦距菲涅尔透镜11，所述第一凹透镜3为第一负焦距菲涅尔透镜10，所述第二凹透镜16为第二负焦距菲涅尔透镜12。本实施例采用高精度的菲涅尔透镜代替传统的凹透镜和凸透镜，菲涅尔透镜的厚度一般不超过2mm，可以实现0.1mm以内的正负短焦距，因使模组的厚度最薄化，实现产品的轻量和小型化。

实际应用中，第二负焦距菲涅尔透镜12与第二正焦距菲涅尔透镜11之间还设置有光线调节器。安装的光线调节器可以根据实际应用场景的需要控制环境光路的透光率，从而实现更优质的画面观看效果。

进一步的，光线调节器设置为液晶快门14或变色镜片等，本实施例优选的设置为液晶快门14。例如，在户外，阳光光线特别强时，可以通过关闭液晶快门14来增加一个较暗的背景，减小透光率，从而可以清楚的看清物体；在室内光线较暗时，可以通过打开液晶快门14来增大透光率，从而达到清楚看清物体的技术效果。

实际应用中，如图3所示，第二正焦距菲涅尔透镜11外侧还紧贴设置有触摸屏13。本发明通过在第二正焦距菲涅尔透镜11外侧设置触摸屏13，使用户可以通过在屏幕上点击或触摸等方法进行直观的操作，从而实现更好的人机交互。

进一步的，透明显示屏2为液晶、OELD或Micro LED。透明显示屏2在本质上是液晶分子的运动成像，其特色就在于当它点亮时就呈现了玻璃的特点，不仅透明而且可以在其上播放我们想要的视频、图片等各类素材，在用户需求的情况下可以加上时下盛行的体感互动，科技感和时尚感兼具。透明显示屏2可以采用液晶、OELD或Micro LED等作为材料。

实际应用中，透明显示屏2、液晶快门14和触摸屏13的一端还共同连接有排线6。排线6的作用是用于连接电路和控制器。

相应的，本发明还提供一种使用基于透明显示屏的AR光学模组的产品，该产品包括耳机、眼镜、头盔、导游帽和望远镜等。

以下通过具体的实施例对本发明做进一步说明。

由于在透明显示屏2到正焦距菲涅尔透镜的主焦点之间需要设置负焦距菲涅尔透镜，因此模组的厚度主要受制于透明显示屏2和菲涅尔透镜的厚度。如采用现有的0.4mm厚度玻璃基板的透明显示屏2和0.8mm厚度菲涅尔透镜，则可用22mm正焦距菲涅尔透镜作凸透镜，透明显示屏2像素面安置在距透镜20.2mm处，采用-0.6mm负焦距菲涅尔透镜紧贴透明显示屏2，则正负焦距的菲涅尔焦点重合（注：20.2mm+0.4mm+0.8mm+0.6mm=22mm）。此时，左侧伽利略式光学结构的放大倍数是0.027倍。右侧伽利略式光学结构只需要实现37倍（1/0.027）光学放大，整个模组仍能实现1:1环境光路。根据此比例，如选取右侧负焦距菲涅尔透镜焦距为-0.1mm，正焦距菲涅尔透镜的焦距则为3.7mm，则模组的整体厚度大约为27mm。如采用更薄的透明显示屏2和负焦距菲涅尔透镜和精密的装配，可实现更薄的模组。

本发明提供一种基于透明显示屏的AR光学模组，通过将透明显示屏2直接安置在环境光路上，避免了半反射所造的光损失，在能耗、亮度和色彩方面具有很大优势；采用高精度菲涅尔透镜，使产品轻量和小型化，广泛适用于各种AR增强现实应用；通过设置液晶快门14或变色镜片的方法，使应用多元化，使其具有VR虚拟现实显示技术的特性；此外，本发明可选择在透明显示屏2外侧设置触摸屏13，使用户可通过在屏幕上点击等方法进行直观操作，实现更好的人机交互。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于透明显示屏的AR光学模组，包括镜组和密封固定外壳，所述密封固定外壳设置于镜组外部并包覆所述镜组，其特征在于，所述镜组还包括第一凸透镜、透明显示屏和第一凹透镜，其中，所述第一凸透镜设置于所述透明显示屏前方，所述第一凹透镜设置于透明显示屏后方，所述第一凹透镜的外侧设置为平面，使第一凹透镜的第二主焦点与第一凸透镜的第一主焦点重合，形成伽利略式反望远结构。

2.根据权利要求1所述的基于透明显示屏的AR光学模组，其特征在于，所述镜组的第一凹透镜平面侧还设置有以平面侧为对称轴对称的第二凹透镜和第二凸透镜，形成对称式的光学结构。

3.根据权利要求2所述的基于透明显示屏的AR光学模组，其特征在于，所述第一凸透镜为第一正焦距菲涅尔透镜，所述第二凸透镜为第二正焦距菲涅尔透镜，所述第一凹透镜为第一负焦距菲涅尔透镜，所述第二凹透镜为第二负焦距菲涅尔透镜。

4.根据权利要求3所述的基于透明显示屏的AR光学模组，其特征在于，所述第二负焦距菲涅尔透镜与第二正焦距菲涅尔透镜之间还设置有光线调节器。

5.根据权利要求4所述的基于透明显示屏的AR光学模组，其特征在于，所述光线调节器为液晶快门或变色镜片。

6.根据权利要求3所述的基于透明显示屏的AR光学模组，其特征在于，所述第二正焦距菲涅尔透镜外侧还紧贴设置有触摸屏。

7.根据权利要求1所述的基于透明显示屏的AR光学模组，其特征在于，所述透明显示屏为液晶、OELD或Micro LED。

8.一种使用根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的基于透明显示屏的AR光学模组的产品。