CN108646419B - 可消除亮点的背投投影增强现实显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可消除亮点的背投投影增强现实显示系统，第一种方案为包括微显示器、投影镜头组、背投屏幕和目视镜组；所述微显示器输出的光束依次通过投影镜头组、背投屏幕的作用后，到达目视镜组，经目视镜组作用后进入人眼并在人眼成像；环境光线透过目视镜组进入人眼并在人眼成像；微显示器与投影镜头组离轴。另一种技术方案为在投影镜头组与背投屏幕之间还包括场镜，场镜使得全视场内投影光线的主光线与背投屏幕的法线相平行；环境光线透过目视镜组进入人眼并在人眼成像；背投屏幕和目视镜组离轴。本发明的背投投影增强现实显示系统通过离轴设置，使的亮点区域光线落到人眼视场之外，从而消除了背投显示中的亮点。

Description

可消除亮点的背投投影增强现实显示系统

技术领域

本发明涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种可消除亮点的背投投影增强现实显示系统。

背景技术

增强现实技术(Augmented Reality，简称AR)，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息，声音，味道，触觉等)，通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

增强现实技术，不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形多重合成在一起。

增强现实技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段。

增强现实显示技术是近年来兴起的新兴研究领域，诸如微软、苹果、谷歌等“领头羊”科技公司现如今都在布局增强现实，也有众多的创业公司不断涌入该领域，相关的技术方案包括自由曲面棱镜、全息光波导、反射式波导等等。

如，公开号为CN107065049A的中国专利文献公开了一种大视场角增强现实的显示棱镜，该显示棱镜结构简单，易于加工，应用于增强现实光学系统中，可以增大光学系统的视场角，并且不需要增加补偿棱镜。

公开号为CN107991778A的中国专利文献公开了一种多层微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜，包括显示器、微结构波导基板、投影镜头和纵向棱镜；所述投影镜头远离纵向棱镜的一端面向显示器，所述显示器所发出的光束依次通过所述投影镜头、纵向棱镜、微结构波导基板进入人眼；所述投影镜头用于对所述显示器所发出的光束进行放大。搭载该结构的增强现实眼镜眼动范围更大，同时整体的光学结构更小、更轻更加有利于增强智能眼镜的量产化和推广化。

随着增强现实技术的不断发展，一种集成了微投影系统和背投屏幕的新型增强现实方法被提出，该方法主要应用于实现增强现实领域中的“光场显示”。

背投屏幕的原理是将入射到屏幕的光线前向散射，由于直射光线的透过率远大于其散射率，观察者接收到这部分直透过来的光线会感受到明显的亮点，严重到会丢失虚拟画面的信息，降低了用户体验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可消除亮点的背投投影增强现实显示系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种可消除亮点的背投投影增强现实显示系统，包括微显示器、投影镜头组、45°反射镜、背投屏幕和目视镜组；

所述微显示器输出的光束依次通过投影镜头组、反射镜、背投屏幕的作用后，到达目视镜组，经目视镜组作用后进入人眼并在人眼成像；

环境光线透过目视镜组进入人眼并在人眼成像；

微显示器与投影镜头组离轴。

微显示器与投影镜头组离轴是指：以微显示器的图像面作为物面，该物面中心不在投影镜头组的光轴上。

投影镜头组将微显示器产生增强现实图像光线投影至背投屏幕形成一个中间像，中间像再经由半透半反的目视镜组在人眼前某深度呈现放大的虚像。由于微显示器与投影镜头组离轴，使得全视场内投影光线的主光线都旁落至人眼观看背投屏幕的像方视场角之外，即亮点区域光线无法经过目视镜组到达眼睛，从而人眼察觉不到该亮点。

由于背投投影增强现实显示系统中存在几何像差以及离轴像差，为了矫正几何像差和离轴像差，作为优选，投影镜头组、场镜和目视镜组为非球面或自由曲面，满足方程(1)～(3)中之一：坐标系规定为水平向右为Z轴方向，垂直Z轴向上为Y轴方向，垂直YOZ平面纸面向里为X轴方向；

(1)多项式非球面(ASP)，其描述方程如下：

其中，c为曲率半径，k为二次曲面系数，r²＝x²+y²，A、B、C、D、E、F分别为4、6、8、10、12、14阶非球面系数；

(2)奇次多项式(ODD)，其描述方程如下：

其中，c为曲率半径，k为二次曲面系数，r²＝x²+y²，A_i为i阶非球面系数，n为非球面的项数，n为不小于1的正整数；

(3)XY多项式(XYP)，其描述方程如下：

其中，j＝[(m+n)²+m+3n]/2+1，m、n为正整数；c是中心曲率，k为二次曲面常数，C_j为x^myⁿ项的系数。

上述技术方案都是光学投影系统(包括微显示器、投影镜组和背投屏幕)和目视系统(包括目视镜组)的结合。投影系统属于大像差系统，需要校正全部几何像差，光学传递函数要求在截止频率处最大视场MTF＞0.4；目视系统属于小像差系统，需要特别校正像散、畸变和色差，光学传递函数在截止频率处最大视场MTF＞0.2。

所述的微显示器具有小尺寸、高分辨率等特点。增强现实设备属于头戴式显示器件，考虑到其重量、体积等因素的影响，显示器尺寸不宜过大；不仅如此，显示器尺寸增大还将导致投影镜头组及微显示器驱动电路体积变大，进一步加大了设备对人体头部的负担，违背了人体工程学。

所选的微显示器还应保证拥有足够亮度，使得微显示器产生的增强现实图像光线经过投影镜头组透射、背投屏幕散射和目视镜组半透半反后到达人眼的亮度为300～400尼特。

所述投影镜头组由多片球面或非球面镜片组成，材料可以是玻璃材料或塑料材料。

所述背投屏幕是前向散射屏幕，优选的，背投屏幕散射光线的强度在各个角度分布均匀。

所述的目视镜组包括第一目镜和第二目镜，背投屏幕的散射光线经第二目镜反射向第一目镜，再经第一目镜反射后透过第二目镜进入人眼；环境光线依次透过第一目镜和第二目镜进入人眼。

优选的，所述第一目镜和第二目镜为一面镀有半透半反膜的镜片，镜片的另一面为补偿面。补偿面的设置减小目镜对环境光线的扭曲。

优选的，所述的第一目镜和第二目镜的面型分别独立地满足方程(1)～(2)。

另一种技术方案如下：

一种可消除亮点的背投投影增强现实显示系统，包括微显示器、投影镜头组、反射镜、场镜、背投屏幕和目视镜组；

所述微显示器输出的光束依次通过投影镜头组、反射镜、场镜、背投屏幕的作用后，到达目视镜组，经目视镜组作用后进入人眼并在人眼成像；

场镜使得全视场内投影光线的主光线与背投屏幕的法线相平行；

环境光线透过目视镜组进入人眼并在人眼成像；

背投屏幕和目视镜组离轴。

场镜使得全视场内投影光线的主光线垂直投射到背投屏幕上，由于背投屏幕和目视镜组离轴，使得背投屏幕散射的、能被人眼接收的所有光线与背投屏幕法线的夹角都大于投影系统的像方视场角，从而全视场内投影光线的主光线(即亮点区域光线)无法经过目视镜组到达眼睛，从而人眼察觉不到该亮点。

优选的，所述的第一目镜和第二目镜的面型分别独立地满足方程(1)～(2)。

优选的，所述的第一目镜和第二目镜的面型满足方程(3)。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的背投投影增强现实显示系统通过离轴设置，使的亮点区域光线落到人眼视场之外，从而消除了背投显示中的亮点，解决了人眼观看画面的不适；背投显示中直透光线除了被人眼接收为“亮点”外，其还不具备深度特征，这就使得相关技术在光场显示方案中得不到推广，本发明使得背投显示在光场显示中得到推广；目视镜组采用薄透镜加额外面型补偿的方案，可以有效减小透镜的体积，明显优于棱镜再加补偿镜的方案。

附图说明

图1为实施例1的光路示意图；

图2为实施例2的光路示意图；

图3为实施例3的光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1

本实施例的背投投影增强现实显示系统光路结构如图1所示，该背投投影增强现实显示系统包括微显示器101、投影镜头组102、45度平面反射镜103、背投屏幕104、目镜105以及半透半反平板106。

微显示器101和投影镜头组102组成了离轴系统(即，微显示器101不在投影镜头组102的光轴上)，最终微显示器101上放映的虚拟信息(即微显示器产生的用于增强现实的图像光线)经过45度平面反射镜103转折后斜着入射到背投屏幕104上。背投屏幕104对入射光前向散射，其散射特性与入射光的角度无关且散射光强在各个方向呈现均匀分布。散射光线中的一部分光线经过半透半反平板106反射、目镜105反射后再透过半透半反平板106最终到达眼睛107，从而将微显示器101输出的增强现实图像在人眼呈现为一个放大的虚像。

外界真实世界的环境场景光线依次经过目镜105、半透半反平板106后无扭曲地到达眼睛107，构成增强现实。

微显示器采用德州仪器的0.3英寸720p显示芯片。

半透半反平板106由厚度极薄的透明平板表面镀半透半反膜制成，由于其厚度极薄，所以其对虚拟信息和真实世界成像的影响都可以忽略不计。

由于微显示器101不在投影镜头组102的光轴上，使得亮点区域光线1101(即各个视场投影光线经过背投屏幕103后直透出来的光线)旁落至人眼观看背投屏幕的像方视场之外，即亮点区域光线1101无法经过半透半反平板106反射、目镜105反射后再透过半透半反平板106到达眼睛107，从而人眼察觉不到该亮点。

表1为本实施例背投投影增强现实显示系统的数据表，该实施例的出瞳直径8mm，出瞳距离16mm，全视场角为60度。

表1背投投影增强现实显示系统数据表

实施例2

本实施例的背投投影增强现实显示系统光路结构如图2所示，该背投投影增强现实显示系统包括微显示器201、投影镜头组202、45度平面反射镜203、场镜204、背投屏幕205、第一目镜206以及第二目镜207。

微显示器201上放映的虚拟信息(即用于增强现实的图像光线)经过投影镜头组202的投射和45度平面反射镜203转折后正入射到场镜204上。场镜204的作用是改变各视场投影光线主光线的方向，使得各视场投影光线的主光线垂直入射到背投屏幕205上。背投屏幕205对入射光前向散射，其散射特性与入射光的角度无关且散射光强在各个方向呈现均匀分布。背投屏幕205、第一目镜206和第二目镜207组成离轴系统，散射光线中的一部分光线经过第二目镜207反射、第一目镜206反射后再透过第二目镜207，最终到达眼睛208，从而将虚拟信息的画面在人眼呈现为一个放大的虚像。

外界真实世界的环境场景光线依次经过第一目镜206、第二目镜207后无扭曲地到达眼睛208，构成增强现实。为了让真实世界的场景无扭曲地到达眼睛208，第一目镜206和第二目镜207厚度不能太厚，在本实施例中结合加工可行性，第一目镜206和第二目镜207的厚度均设定为3mm。另外，第一目镜206和第二目镜207还做了面型补偿。

由于背投屏幕205、第一目镜206和第二目镜207组成离轴系统，使得背投屏幕205散射的、能被人眼接收的所有光线与背投屏幕205法线的夹角都大于投影系统的像方视场角，即亮点区域光线2101无法经过第二目镜207反射、第一目镜206反射后再透过第二目镜207到达眼睛208，从而人眼察觉不到该亮点。

表2为本实施例背投投影增强现实显示系统的数据表，该实施例的出瞳直径8mm，出瞳距离16mm，全视场角为60度。

表2背投投影增强现实显示系统数据表

实施例3

本实施例的背投投影增强现实显示系统光路结构如图3所示，该背投投影增强现实显示系统包括微显示器301、投影镜头组302、45度平面反射镜303、场镜304、背投屏幕305、第一目镜306以及第二目镜307。

各部分的位置关系同实施例2，与实施例2的不同之处在第一目镜306以及第二目镜307。实施例2中的第一目镜和第二目镜的面型满足奇次多项式，实施例2中的第一目镜和第二目镜的面型满足XY多项式。

表3为本实施例背投投影增强现实显示系统的数据表，该实施例的出瞳直径10mm，出瞳距离16mm，全视场角为60度。

表3背投投影增强现实显示系统数据表

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可消除亮点的背投投影增强现实显示系统，其特征在于，包括微显示器、投影镜头组、场镜、背投屏幕和目视镜组；

所述微显示器输出的光束依次通过投影镜头组、场镜、背投屏幕的作用后，到达目视镜组，经目视镜组作用后进入人眼并在人眼成像；

场镜使得全视场内投影光线的主光线与背投屏幕的法线相平行；

环境光线透过目视镜组进入人眼并在人眼成像；

背投屏幕和目视镜组离轴，使得背投屏幕散射的、能被人眼接收的所有光线与背投屏幕法线的夹角都大于投影系统的像方视场角。

2.根据权利要求1所述的背投投影增强现实显示系统，其特征在于，投影镜头组、场镜和目视镜组为非球面或自由曲面，满足方程(1)～(3)中之一：坐标系规定为水平向右为Z轴方向，垂直Z轴向上为Y轴方向，垂直YOZ平面纸面向里为X轴方向；

(1)多项式非球面(ASP)，其描述方程如下：

其中，c为曲率半径，k为二次曲面系数，r²＝x²+y²，A、B、C、D、E、F分别为4、6、8、10、12、14阶非球面系数；

(2)奇次多项式(ODD)，其描述方程如下：

其中，c为曲率半径，k为二次曲面系数，r²＝x²+y²，A_i为i阶非球面系数，n为非球面的项数，n为不小于1的正整数；

(3)XY多项式(XYP)，其描述方程如下：

其中，j＝[(m+n)²+m+3n]/2+1，m、n为正整数；c是中心曲率，k为二次曲面常数，C_j为x^myⁿ项的系数。

3.根据权利要求1所述的背投投影增强现实显示系统，其特征在于，微显示器产生的增强现实图像光线经过投影镜头组透射、背投屏幕散射和目视镜组半透半反后到达人眼的亮度为300～400尼特。

4.根据权利要求1所述的背投投影增强现实显示系统，其特征在于，所述投影镜头组由多片球面或非球面镜片组成。

5.根据权利要求2所述的背投投影增强现实显示系统，其特征在于，所述的目视镜组包括第一目镜和第二目镜，背投屏幕的散射光线经第二目镜反射向第一目镜，再经第一目镜反射后透过第二目镜进入人眼；环境光线依次透过第一目镜和第二目镜进入人眼。

6.根据权利要求5所述的背投投影增强现实显示系统，其特征在于，所述的第一目镜和第二目镜的面型分别独立地满足方程(1)～(2)。

7.根据权利要求6所述的背投投影增强现实显示系统，其特征在于，所述的第一目镜和第二目镜的面型满足方程(3)。

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