CN110146986A - 一种增强现实显示光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强现实显示光学系统。该系统包括：显示光源、光束准直元件、空间光调制单元、光传播单元和立体视觉单元；显示光源设置在光束准直元件的顶部；光束准直元件的左侧面为第一自由曲面，光束准直元件右侧面为第二自由曲面；两个自由曲面将显示光源发出的光束转换为两束准直光束；空间光调制单元设置在光束准直元件的出射光路上，用于将两束准直光束分别调制为第一偏振光束和第二偏振光束；光传播单元设置在空间光调制单元的出射光路上；立体视觉单元用于将第一偏振光束与第二偏振光束传输至人眼中。本发明设置的光束准直元件可准直两个方向的光束，简化了系统；设置空间光调制单元能够同时显示不同的信息，提高了信息的显示率。

Description

一种增强现实显示光学系统

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，特别是涉及一种增强现实显示光学系统。

背景技术

增强现实(AR)也称混合现实，它是虚拟现实技术基础上发展起来的一种崭新的技术领域。它把计算机所生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实环境中，从而增加用户对真实环境的感知。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，便可以看到真实的世界围绕着它。

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。增强现实提供了在一般情况下，不同于人类可以感知的信息。AR系统具有三个突出的特点：①真实世界和虚拟的信息集成；②具有实时交互性；③是在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。AR技术可广泛应用于多等领域，其的重要应用之一是头戴式显示器，其中光学模块既用作反射光学元件又用作合成器，其中二维显示器成像为无限远并反射到眼睛中。显示器可以直接从空间光调制器(SLM)获得，或间接借助于中继透镜或光纤束。该显示器包括由准直透镜成像到无限远的元件阵列(像素)，并通过反射或部分反射表面传输到观察者的眼睛中。

目前，传统的头戴式显示器存在以下不足：1)其中采用的光导准直元件不够紧凑，只能准直一个方向上的光线，如果需要准直多个偏振光线，那么就要设置多个光导准直元件，装置复杂；2)只能同时显示相同的信息，信息的显示率低。

发明内容

基于此，有必要提供一种增强现实显示光学系统，实现在简化装置的同时，提高信息的显示率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种增强现实显示光学系统，包括：

显示光源、光束准直元件、空间光调制单元、光传播单元和立体视觉单元；

所述显示光源设置在所述光束准直元件的顶部，用于发出光束，并将所述光束入射至所述光束准直元件内；

所述光束准直元件的左侧面为第一自由曲面，所述光束准直元件右侧面为第二自由曲面，所述第一自由曲面用于将所述光束转换为第一准直光束，所述第二自由曲面用于将所述光束转换为第二准直光束；

所述空间光调制单元设置在所述光束准直元件的出射光路上，用于将所述第一准直光束调制为第一偏振光束，以及将所述第二准直光束调制为第二偏振光束；

所述光传播单元设置在所述空间光调制单元的出射光路上，用于将所述第一偏振光束和所述第二偏振光束传播至所述立体视觉单元；

所述立体视觉单元设置在所述光传播单元的输出光路上，用于将所述第一偏振光束与所述第二偏振光束传输至人眼中。

可选的，所述光束准直元件的前面或后面涂有不透光的涂层；所述光束准直元件的前面或后面与所述光束准直元件的两个侧面活动连接。

可选的，所述空间光调制单元包括第一空间光调制器和第二空间光调制器；

所述第一空间光调制器设置在所述第一自由曲面的出射光路上，用于将所述第一准直光束调制为第一偏振光束；

所述第二空间光调制器设置在所述第二自由曲面的出射光路上，用于将所述第二准直光束调制为第二偏振光束。

可选的，所述光传播单元包括第一光传播单元和第二光传播单元；

所述第一光传播单元设置在所述第一空间光调制器的出射光路上，用于将所述第一偏振光束传播至所述立体视觉单元；

所述第二光传播单元设置在所述第一空间光调制器的出射光路上，用于将所述第二偏振光束传播至所述立体视觉单元；

所述第一光传播单元和所述第二光传播单元均包括第一反射镜和光波导；所述第一反射镜内嵌在所述光波导的一端，用于将偏振光束耦合至所述光波导。

可选的，所述立体视觉单元包括第一视觉单元和第二视觉单元；

所述第一视觉单元与所述第一光传播单元对应设置，所述第二视觉单元与所述第二光传播单元对应设置；所述第一视觉单元和所述第二视觉单元均包括一个或多个第二反射镜；所述第二反射镜内嵌在所述光波导的另一端。

可选的，所述显示光源为冷阴极荧光灯、RGB三色发光二极管或卤素灯光源。

可选的，所述第一空间光调制器为液晶空间光调制器、反射式空间光调制器或透射式空间光调制器；所述第二空间光调制器为液晶空间光调制器、反射式空间光调制器或透射式空间光调制器。

可选的，所述第一反射镜的材质为碳化硅、陶瓷、金属、光学玻璃或紫外熔石英；所述第二反射镜的材质为碳化硅、陶瓷、金属、光学玻璃或紫外熔石英。

可选的，所述光波导为平面介质光波导、矩形介质光波导、圆介质光波导或非圆介质光波导。

可选的，所述光束准直元件内还设置有分束镜；

所述分束镜用于将所述光束分为第一光束和第二光束，所述第一光束经所述第一自由曲面准直后形成第一准直光束，所述第二光束经所述第二自由曲面准直后形成第二准直光束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种增强现实显示光学系统。该系统包括：显示光源、光束准直元件、空间光调制单元、光传播单元和立体视觉单元；显示光源设置在光束准直元件的顶部；光束准直元件的左侧面为第一自由曲面，光束准直元件右侧面为第二自由曲面；空间光调制单元设置在光束准直元件的出射光路上；光传播单元设置在空间光调制单元的出射光路上；立体视觉单元设置在光传播单元的出射光路上。本发明设置包括左右两个自由曲面的光束准直元件，可准直两个方向的光束，简化了系统的结构；设置空间光调制单元，通过不同的调制，得到两束不同的偏振光束，实现了同时显示不同的信息，提高了信息的显示率。

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种增强现实显示光学系统的示意图；

图2为本发明实施例光束准直元件的结构示意图；

图3为本发明实施例传播及视觉模块的结构示意图。

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。

图1为本发明实施例一种增强现实显示光学系统的示意图；图2为本发明实施例光束准直元件的结构示意图；图3为本发明实施例传播及视觉模块的结构示意图。

参见图1-图3，实施例的增强现实显示光学系统，包括：

显示光源1、光束准直元件2、空间光调制单元、光传播单元和立体视觉单元；所述显示光源1设置在所述光束准直元件2的顶部，用于发出光束，并将所述光束准直透射至所述光束准直元件2内；所述光束准直元件2的左侧面为第一自由曲面，所述光束准直元件2右侧面为第二自由曲面，所述光束准直元件2能够产生左右两个方向的准直光束，所述第一自由曲面用于将所述光束转换为第一准直光束，所述第二自由曲面用于将所述光束转换为第二准直光束；所述空间光调制单元设置在所述光束准直元件2的出射光路上，用于将所述第一准直光束调制为第一偏振光束，以及将所述第二准直光束调制为第二偏振光束；所述光传播单元设置在所述空间光调制单元的出射光路上，用于将所述第一偏振光束和所述第二偏振光束传播至所述立体视觉单元；所述立体视觉单元设置在所述光传播单元的输出光路上，用于将所述第一偏振光束与所述第二偏振光束传输至人眼中。

作为一种可选的实施方式，所述光束准直元件2的前面或后面涂有不透光的涂层；所述光束准直元件2的前面或后面与所述光束准直元件2的两个侧面活动连接。涂有不透光的涂层的面具有可旋转性，如将所述光束准直元件2的前面涂有不透光的涂层，则当只需要一个镜片来显示信息时，佩戴有增强现实显示光学系统的佩戴者可手动顺时针或逆时针旋转前面，使光束只经过准直元件的一个自由曲面(第一自由曲面或第二自由曲面)。因此，当只需要某一个镜片的来显示信息时，另外一个仍能保证使用者正常的生活状态而不会遮挡眼睛的视线，实现两种视角的自由切换。

作为一种可选的实施方式，所述空间光调制单元包括第一空间光调制器4和第二空间光调制器5；所述第一空间光调制器4设置在所述第一自由曲面的出射光路上，用于将所述第一准直光束调制为第一偏振光束；所述第二空间光调制器5设置在所述第二自由曲面的出射光路上，用于将所述第二准直光束调制为第二偏振光束。

作为一种可选的实施方式，所述光传播单元与所述立体视觉单元所述光传播单元包括第一光传播单元和第二光传播单元；所述第一光传播单元设置在所述第一空间光调制器4的出射光路上，用于将所述第一偏振光束传播至所述立体视觉单元；所述第二光传播单元设置在所述第一空间光调制器4的出射光路上，用于将所述第二偏振光束传播至所述立体视觉单元；所述第一光传播单元和所述第二光传播单元均包括第一反射镜7和光波导6；所述第一反射镜7内嵌在所述光波导6的一端，用于将偏振光束耦合至所述光波导6。所述立体视觉单元包括第一视觉单元和第二视觉单元；所述第一视觉单元与所述第一光传播单元对应设置，所述第二视觉单元与所述第二光传播单元对应设置；所述第一视觉单元和所述第二视觉单元均包括一个或多个第二反射镜8；所述第二反射镜8内嵌在所述光波导的另一端。所述第一光传播单元和所述第一视觉单元构成了第一传播及视觉模块3，所述第二光传播单元和所述第二视觉单元构成了第一传播及视觉模块30。

作为一种可选的实施方式，所述立体视觉单元包括光波导6、第一反射镜7和第二反射镜8；所述第一反射镜7内嵌在所述光波导6的一端；一个或多个所述第二反射镜8内嵌在所述光波导6的另一端；所述第一反射镜7用于将所述第一偏振光束和所述第二偏振光束耦合至所述光波导9，光束经过所述光波导6传输后再经过一个或多个第二反射镜8将光束反射至人眼。本实施例中，设置有两个第二反射镜8。

作为一种可选的实施方式，所述显示光源1为冷阴极荧光灯、RGB三色发光二极管或卤素灯光源。

作为一种可选的实施方式，所述第一空间光调制器4为液晶空间光调制器、反射式空间光调制器或透射式空间光调制器；所述第二空间光调制器5为液晶空间光调制器、反射式空间光调制器或透射式空间光调制器。

作为一种可选的实施方式，所述第一反射镜7的材质为碳化硅、陶瓷、金属、光学玻璃或紫外熔石英；所述第二反射镜8的材质为碳化硅、陶瓷、金属、光学玻璃或紫外熔石英。

作为一种可选的实施方式，所述光波导6为平面介质光波导、矩形介质光波导、圆介质光波导或非圆介质光波导。

作为一种可选的实施方式，所述光束准直元件2内还设置有分束镜；所述分束镜用于将所述光束分为第一光束和第二光束，所述第一光束经所述第一自由曲面准直后形成第一准直光束，所述第二光束经所述第二自由曲面准直后形成第二准直光束。

本实施例中的增强现实显示光学系统，显示光源1从光束准直元件2的顶部准直透镜入射，经过第一自由曲面(左面)和第二自由曲面(右面)分别产生准直光束，左侧的准直光束通过左边的第一空间光调制器4进行调制，将信息写入光波，生成要传输画面，经过调制后的光线再通过第一光传播单元中的第一反射镜7将光耦合到光波导6中进行光线的传播，再经过立体视觉单元的两个第二反射镜8将光反射到左眼中；右侧的准直光束通过右边的第二空间光调制器5进行调制，将信息写入光波，生成要传输文字，经过调制后的光线，依次经过第二传播单元、立体视觉单元后，将得到的光反射由右眼中。由于第一空间光调制器4和第二空间光调制器5可以实现不同的调制，因此，可以控制左右镜片显示不同的信息。

本实施例中，所述光束准直元件2的前面涂有不透光的涂层，则当只需要一个镜片来显示信息时，佩戴有增强现实显示光学系统的佩戴者可手动顺时针或逆时针旋转前面，使光束只经过准直元件的一个自由曲面(第一自由曲面或第二自由曲面)。

本实施例的增强现实显示光学系统，设置包括左右两个自由曲面的光束准直元件，可准直两个方向的光束，简化了系统的结构；可实现左右镜片显示的可控性，一方面设置空间光调制单元，通过不同的调制，得到两束不同的偏振光束，实现了同时显示不同的信息，提高了信息的显示率，另一方面，光束准直元件的前面涂有不透光的涂层，当只需要某一个镜片的来显示信息时，另外一个仍能保证使用者正常的生活状态而不会遮挡眼睛的视线，实现两种视角的自由切换。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种增强现实显示光学系统，其特征在于，包括：

显示光源、光束准直元件、空间光调制单元、光传播单元和立体视觉单元；

所述显示光源设置在所述光束准直元件的顶部，用于发出光束，并将所述光束入射至所述光束准直元件内；

所述光束准直元件的左侧面为第一自由曲面，所述光束准直元件右侧面为第二自由曲面，所述第一自由曲面用于将所述光束转换为第一准直光束，所述第二自由曲面用于将所述光束转换为第二准直光束；

所述空间光调制单元设置在所述光束准直元件的出射光路上，用于将所述第一准直光束调制为第一偏振光束，以及将所述第二准直光束调制为第二偏振光束；

所述光传播单元设置在所述空间光调制单元的出射光路上，用于将所述第一偏振光束和所述第二偏振光束传播至所述立体视觉单元；

所述立体视觉单元设置在所述光传播单元的输出光路上，用于将所述第一偏振光束与所述第二偏振光束传输至人眼中。

2.根据权利要求1所述的一种增强现实显示光学系统，其特征在于，所述光束准直元件的前面或后面涂有不透光的涂层；所述光束准直元件的前面或后面与所述光束准直元件的两个侧面活动连接。

3.根据权利要求1所述的一种增强现实显示光学系统，其特征在于，所述空间光调制单元包括第一空间光调制器和第二空间光调制器；

所述第一空间光调制器设置在所述第一自由曲面的出射光路上，用于将所述第一准直光束调制为第一偏振光束；

所述第二空间光调制器设置在所述第二自由曲面的出射光路上，用于将所述第二准直光束调制为第二偏振光束。

4.根据权利要求3所述的一种增强现实显示光学系统，其特征在于，所述光传播单元包括第一光传播单元和第二光传播单元；

所述第一光传播单元设置在所述第一空间光调制器的出射光路上，用于将所述第一偏振光束传播至所述立体视觉单元；

所述第二光传播单元设置在所述第一空间光调制器的出射光路上，用于将所述第二偏振光束传播至所述立体视觉单元；

所述第一光传播单元和所述第二光传播单元均包括第一反射镜和光波导；所述第一反射镜内嵌在所述光波导的一端，用于将偏振光束耦合至所述光波导。

5.根据权利要求4所述的一种增强现实显示光学系统，其特征在于，所述立体视觉单元包括第一视觉单元和第二视觉单元；

所述第一视觉单元与所述第一光传播单元对应设置，所述第二视觉单元与所述第二光传播单元对应设置；所述第一视觉单元和所述第二视觉单元均包括一个或多个第二反射镜；所述第二反射镜内嵌在所述光波导的另一端。

6.根据权利要求1所述的一种增强现实显示光学系统，其特征在于，所述显示光源为冷阴极荧光灯、RGB三色发光二极管或卤素灯光源。

7.根据权利要求3所述的一种增强现实显示光学系统，其特征在于，所述第一空间光调制器为液晶空间光调制器、反射式空间光调制器或透射式空间光调制器；所述第二空间光调制器为液晶空间光调制器、反射式空间光调制器或透射式空间光调制器。

8.根据权利要求5所述的一种增强现实显示光学系统，其特征在于，所述第一反射镜的材质为碳化硅、陶瓷、金属、光学玻璃或紫外熔石英；所述第二反射镜的材质为碳化硅、陶瓷、金属、光学玻璃或紫外熔石英。

9.根据权利要求5所述的一种增强现实显示光学系统，其特征在于，所述光波导为平面介质光波导、矩形介质光波导、圆介质光波导或非圆介质光波导。

10.根据权利要求1所述的一种增强现实显示光学系统，其特征在于，所述光束准直元件内还设置有分束镜；

所述分束镜用于将所述光束分为第一光束和第二光束，所述第一光束经所述第一自由曲面准直后形成第一准直光束，所述第二光束经所述第二自由曲面准直后形成第二准直光束。