CN108873345A - 大视场角、多显示深度的可穿戴式光场增强现实眼镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大视场角、多显示深度的可穿戴式光场增强现实眼镜，包括：图像源，产生带有深度信息的用于表征虚拟信息的图像光线，所述图像光线为非偏振光；起偏器，将图像光线转换为线偏振光；光开关，所述线偏振光透过光开关进入双折射棱镜；双折射棱镜，位于光开关与投影单元之间的光路上，对透过的光产生折射作用；对不同偏振态的线偏振光具有不同的折射率；投影单元，将透过双折射棱镜的线偏振光投射成放大的中继实像；目镜单元，将所述中继实像及环境光线汇聚于人眼成像；控制单元，同步控制图像源和光开关，根据图像源所产生图像的深度信息控制光开关的状态。本发明的光场增强现实眼镜同时具有大视场角和双显示深度。
Description
技术领域
本发明涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种大视场角、多显示深度的可穿戴式光场增强现实眼镜。
背景技术
增强现实(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。
AR技术不仅在与VR技术相类似的应用领域，诸如尖端武器、飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等领域具有广泛的应用，而且由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域，具有比VR技术更加明显的优势，增强现实将真正改变我们观察世界的方式。例如，使用者行走在或者驱车行驶在路上，通过增强现实显示器(最终看起来像一副普通的眼镜)将信息化图像显示在使用者的视野之内，并且播放与使用者所看到的景象保持同步的声音，且这些增强信息将随时更新，以反映当时大脑的活动。
现阶段，越来越多的企业及研究机构涌入到了增强现实设备的开发研制当中，国外有微软、Magic Leap、Avegant、Lumus等，国内有耐得佳、灵犀微光、上海理鑫等。
目前，能够批量面向消费者的增强现实眼镜依然存在着许多技术弊端，如视场角小，微软于2015年发布的增强现实眼镜Hololens只有不到30度的视场角，国内知名AR企业耐得佳最新发布的NED+Glass X2应用了自由曲面扩大视场的方案也仅有40度的视场角。
光学自由曲面棱镜的应用能有效提高增强现实显示系统的视场角及出瞳等参数。公开号为CN101359089B的中国专利文献公开了一种自由曲面棱镜头盔显示器光学系统，通过一个具有三个光学表面的自由曲面棱镜来增大其视场角，但是为了不使外界场景观看时发生倾斜和变形，需要胶合一块补偿棱镜来补偿光线的偏移和倾斜，增加了加工工艺的复杂程度。
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光学系统，通过一个特殊结构的显示棱镜来增大其视场角，该特殊结构的显示棱镜结构复杂，加工难度较大。
此外，现在的AR设备普遍采取了将虚拟图像显示到无穷远这一个深度的方案，长时间观看会导致人眼的调节辐辏冲突，继而引起使用者晕眩呕吐等症状。
因此，急需一种视场角较大、多显示深度的可穿戴式增强现实眼镜。
发明内容
本发明提供了一种大视场角、多显示深度的可穿戴式光场增强现实眼镜，该光场增强现实眼镜同时具有大视场角和双显示深度。
本发明提供了如下技术方案：
一种大视场角、多显示深度的可穿戴式光场增强现实眼镜，包括：
图像源，产生带有深度信息的用于表征虚拟信息的图像光线，所述图像光线为非偏振光；
起偏器，将所述图像光线转换为线偏振光；
光开关，处于关闭状态时不改变透过光的偏振特性，处于开启状态时改变透过光的偏振特性；所述线偏振光透过光开关进入双折射棱镜；
双折射棱镜，位于光开关与投影单元之间的光路上，对透过的光产生折射作用；对不同偏振态的线偏振光具有不同的折射率；
投影单元，将透过双折射棱镜的线偏振光投射成放大的中继实像；
目镜单元，将所述中继实像及环境光线汇聚于人眼成像；
控制单元，同步控制图像源和光开关，根据图像源所产生图像的深度信息控制光开关的状态。
图像源产生非偏振的图像光线，该图像光线经起偏器后剩下寻常光(或非寻常光)分量，当光开关处于关闭状态时，其不改变透射光的偏振特性，而处于开启状态时，其将寻常光(或非寻常光)旋光成非寻常光(或寻常光)，双折射棱镜对寻常光和非寻常光的折射率不同，寻常光和非寻常光经过双折射棱镜后的出射角度不同，再经过投影单元和目镜后，会在人眼形成两个深度(第一深度和第二深度)的虚像。通过控制单元同步图像源和光开关，当图像源输出的图像为需要在第一深度显示时，控制单元控制光开关开启(或关闭)，转换透射光的偏振特性，使透射光经过双折射棱镜、投影单元和目镜后，在人眼形成第一深度的图像；当图像源输出的图像为需要在第二深度显示时，控制单元控制光开关关闭(或开启)，转换透射光的偏振特性，使透射光经过双折射棱镜、投影单元和目镜后，在人眼形成第二深度的图像，当双深度的图像以较快频率刷新时，人眼所觉察到的图像深度可介于第一深度和第二深度之间。
图像源的分辨率、亮度、对比度和刷新速率是影响呈现效果的重要因素。
优选的，所述图像源的分辨率为1080p及以上；所述图像源的亮度为5000nit及以上。
高分辨率、高亮度有助于显示虚拟信息的逼真性，使得使用者真切地体会到虚拟世界与真实世界的融合
人眼在观看单个深度的虚拟图像容时，刷新速率需要达到这60Hz以上才不会有闪烁的感觉，而在本发明中需要呈现双深度的虚拟图像，因此，优选的，所述图像源的刷新速率为120Hz以上。
优选的，所述图像源的对比度大于10000∶1。
优选的，所述起偏器的消光比为10000∶1以上。
当起偏器消光比不高时，图像源出射的非偏振光经过起偏器后同时存在寻常光和非寻常光两种偏振态，其经过后续的光学系统后会同时存在两个深度的图像，从而造成显示图像的串扰，影响成像质量。
光开关的工作状态是根据当前需要显示的虚拟图像的深度而确定，也即光开关工作状态为“开”的时候显示第一深度，光开关工作状态为“关”的时候显示第二深度。当需要显示不同深度的虚拟图像时，光开关需要有足够快的响应速度来进行状态的切换，不然会导致第一深度的信息错误投放至第二深度。
优选的，所述的光开关为液晶光阀；所述光开关的响应时间为10ms以下，透光率大于90％。
具体地，所述的双折射棱镜的光轴与双折射棱镜的表面平行，寻常光和非寻常光经过该双折射棱镜时仅仅是折射率不同，传播方向不会发生变化且主光线重合不错位；如果发生错位，位于不同深度的虚拟图像中心便对不上，且会产生额外的像差。
寻常光和非寻常光经过该双折射棱镜的折射率差值应该尽量大，这样可以尽量降低双折射棱镜的厚度。
优选的，所述的双折射棱镜对不同偏振态光的折射率差值大于0.2。
优选的，所述的投影单元的投射比为1.6以下。
投影单元的投射比越小，投影单元的结构越紧凑，投影单元结构紧凑能有效改善光场增强现实眼镜的空间尺度，同时，缩小投影单元的投射比能减少光路空间，为工业设计留更多的余地，使之更符合人体工程学。
优选的，所述目镜单元包括非球面镜片；所述的非球面镜片满足以下面型方法，方程中用(x，y，z)表示非球面镜片表面上点的位置坐标值：
其中，c为曲面顶点处的曲率；k为曲面的二次曲面常数，Ai为曲面的i阶非球面系数。
本发明的目镜单元具有大出瞳直径、长出瞳距离、宽视场角。大的出瞳直径可以满足使用者佩戴时斜视的情形，长出瞳距离可以满足近视镜及远视镜佩戴者的使用，而宽视场角可以更真实地呈现虚拟信息，使虚拟信息和真实世界更好地融合在一起。
为了达到双深度显示效果，需要严格控制光开关和微显示器之间的同步，使得应该投放至某一深度的虚拟信息不被错误投放至另外深度。
优选的，所述的可穿戴式光场增强现实眼镜具有受控于控制单元的惯性测量单元(Inertial measurement unit，IMU)，所述惯性测量单元用于检测整机的位姿。
惯性测量单元检测整机的位姿，继而用于更多的功能扩展。增强现实眼镜被视为下一代计算平台，而不仅仅是一台用于呈现虚拟信息的设备，所以其需要集成一些其他的实用功能，未来将广泛应用于医疗、军事、娱乐、工作、生活等各个方面。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的光场增强现实眼镜利用了双折射棱镜对不同偏振态的线偏振光折射率不同的性质，在无任何机械变焦装置的条件下可产生双深度图像，可通过光场算法控制图像源输出图像的深度并以较快频率刷新时，可使人眼所觉察到的图像深度可介于第一深度和第二深度之间，实现虚拟图像多深度显示，解决了调节辐辏冲突；无任何机械变焦装置，同时也提升了整机的稳定性及安全性；此外，本发明的光场增强现实眼镜具有50度的大视场角，覆盖了人眼最常观看的视角空间，提升了用户体验。
附图说明
图1为实施例的光场增强现实眼镜去除反射镜后等效光路的光路示意图；
图2为目镜单元增加补偿面的光路示意图；
图3为虚拟图像显示值第一深度的MTF曲线及畸变网格；
图4为虚拟图像显示值第二深度的MTF曲线及畸变网格。
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。
本发明实施例中的坐标系规定为：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轴方向的右手坐标系，坐标原点位于人眼位置中心。
实施例1
如图1所示，本实施例的光场增强现实眼镜光学部件包括：微显示器1、起偏器2、光开关3、双折射棱镜4、投影单元5、目镜单元6和控制单元(图中未示出)。
微显示器1显示需要展现的虚拟内容；本例中，微显示器1选用索尼的0.5英寸OLED芯片ECX337A，对角线长度为0.5英寸，分辨率为1280×960。
微显示器1发出的表征虚拟内容的光线是非偏振光，其经过起偏器2后转换为线偏振光，在本实施例中非偏振光经过起偏器2后剩下寻常光(以下简称o光)分量。
当光开关3处于“关”的工作状态时，其不改变透射光的偏振特性；当光开关3处于“开”的工作状态时，其将o光旋成非寻常光(以下简称e光)。
双折射棱镜4对o光有较高的折射率，对e光有较低的折射率，在本实施例中，双折射棱镜4对o光的折射率为1.6585，对e光的折射率为1.4865。o光和e光再经过投影单元5、目镜单元6后分别在距离人眼7的第一深度和第二深度形成放大的虚像。
在本实施例中，o光对应的第一深度为距离人眼400mm，e光对应的第二深度为距离人眼无穷远处。
控制单元同步控制微显示器和光开关，根据微显示器所产生图像的深度信息控制光开关的状态。当需要显示虚拟内容的深度位于第一深度时，光开关3处于“关”的工作状态；当需要显示虚拟内容的深度位于第二深度时，光开关3处于“开”的工作状态；当需要显示虚拟内容的深度位于第一深度和第二深度之间的任意深度时，光开关3在“开”和“关”的工作状态之间高速切换，通过光场算法可以得到此时需要分别显示至第一深度和第二深度的虚拟内容，通过控制单元精确控制光开关3和微显示器1的同步，即微显示器1显示第一深度所需的虚拟信息时，控制单元操作光开关3“关”，微显示器1显示第二深度所需的虚拟信息时，控制单元操作光开关3“开”，如此可呈现任一深度的虚拟信息，解决了调节辐辏冲突，与真实世界完美融合，所述光场算法可参照公开号为CN107894666A的专利。
本实施例中，投影单元5采用了四片镜片，目镜单元采用了两片半透半反镜片。等效光路的数据如表1：
表1实施例等效光路数据表
增加补偿面的作用是使人眼通过目镜单元观看真实世界时，真实世界的画面无扭曲变形，其光路示意图如图2所示。
本实施例出瞳直径10mm，出瞳距离18mm，全视场角为50度。如图3和图4所示，在第一深度和第二深度都获得了极好的成像质量，最大视场畸变小于0.2％，最大视场在截止频率301p/mm处MTF(调制传递函数，Modulation Transfer Function)均大于0.4，第二深度最大视场在截止频率301p/mm处MTF值更是达到了0.6以上，能够获得极好的光场显示效果。
本发明及实施例仅展示了单目显示的情况，双目显示只需将上述光电子器件镜像摆放即可达到效果。
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 (8)
1.一种大视场角、多显示深度的可穿戴式光场增强现实眼镜，其特征在于，包括：
图像源，产生带有深度信息的用于表征虚拟信息的图像光线，所述图像光线为非偏振光；
起偏器，将所述图像光线转换为线偏振光；
光开关，处于关闭状态时不改变透过光的偏振特性，处于开启状态时改变透过光的偏振特性；所述线偏振光透过光开关进入双折射棱镜；
双折射棱镜，位于光开关与投影单元之间的光路上，对透过的光产生折射作用；对不同偏振态的线偏振光具有不同的折射率；
投影单元，将透过双折射棱镜的线偏振光投射成放大的中继实像；
目镜单元，将所述中继实像及环境光线汇聚于人眼成像；
控制单元，同步控制图像源和光开关，根据图像源所产生图像的深度信息控制光开关的状态。
2.根据权利要求1所述的大视场角、多显示深度的可穿戴式光场增强现实眼镜，其特征在于，所述图像源的刷新速率为120Hz以上。
3.根据权利要求1所述的大视场角、多显示深度的可穿戴式光场增强现实眼镜，其特征在于，所述起偏器的消光比为10000∶1以上。
4.根据权利要求1所述的大视场角、多显示深度的可穿戴式光场增强现实眼镜，其特征在于，所述的光开关为液晶光阀。
5.根据权利要求1或4所述的大视场角、多显示深度的可穿戴式光场增强现实眼镜，其特征在于，所述光开关的响应时间为10ms以下，透光率大于90％。
6.根据权利要求1所述的大视场角、多显示深度的可穿戴式光场增强现实眼镜，其特征在于，所述的双折射棱镜对不同偏振态光的折射率差值大于0.2。
7.根据权利要求1所述的大视场角、多显示深度的可穿戴式光场增强现实眼镜，其特征在于，所述目镜单元包括非球面镜片；所述的非球面镜片满足以下面型方法，方程中用(x，y，z)表示非球面镜片表面上点的位置坐标值：
其中，c为曲面顶点处的曲率；k为曲面的二次曲面常数，Ai为曲面的i阶非球面系数。
8.根据权利要求1所述的大视场角、多显示深度的可穿戴式光场增强现实眼镜，其特征在于，具有受控于控制单元的惯性测量单元，所述惯性测量单元用于检测整机的位姿。
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