CN110426844A - 一种光学系统及增强现实眼镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光学系统，包括透镜组、分光镜以及曲面镜，图像源的图像光依次经过透镜组、分光镜、曲面镜，经曲面镜反射后再次经过分光镜，到达人眼，环境光经过曲面镜、分光镜到达人眼；曲面镜的内表面和外表面相配合调整光焦度；相应的，透镜组的透镜与曲面镜相配合调整光焦度；分光镜的上表面和曲面镜的内表面镀有预定透反比的反射膜。本发明还提供了一种增强现实眼镜，采用本发明所述的光学系统和增强现实眼镜，不需单独佩戴视度眼镜，同时扩大了人眼的观察视野。

Description

一种光学系统及增强现实眼镜
技术领域
本发明属于增强现实领域，特别是指一种光学系统及应用该光学系统的增强现实眼镜。
背景技术
在增强现实(augmented reality，AR)的概念提出以来，基于AR模式的近眼显示装置取得了长足的发展。近眼显示装置的光路结构有波导、自由曲面等。其中BirdBath(BB)结构也是一种常见的光路实现方式。
传统的BB光路结构如图1及图2所示，其中，1为近视或远视人群佩戴的视度镜片，2为图像源，图像光依次经过透镜组3，分光镜4，曲面镜5，然后再次通过分光镜4到达人眼。由图1可以看出，BB结构的光路出瞳距离较短，对于佩戴视度镜片的使用者，会影响其佩戴的舒适性。另外，从图1至图2可以看到，采用这种光路结构时，下方的光线会通过分光镜4传递到人眼，这部分信息容易对使用者造成干扰。为了避免这一现象，采取的方式是在下方设置可以遮挡光线的遮挡板6，但是，使用遮挡板结构造成观察范围如图3中的7所示，对使用者的观察视野会比较小。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种适应人眼视度的光学系统和增强现实眼镜。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种光学系统，包括透镜组、分光镜以及曲面镜，图像源的图像光依次经过透镜组、分光镜、曲面镜，经曲面镜反射后再次经过分光镜，到达人眼，环境光经过曲面镜、分光镜到达人眼；曲面镜的内表面和外表面相配合调整光焦度；相应的，透镜组的透镜与曲面镜相配合调整光焦度；分光镜的上表面和曲面镜的内表面镀有预定透反比的反射膜；曲面镜向下延展以贴近使用者面部，且在视轴方向上，不超过分光镜的左侧外缘。
进一步的，所述光学系统进一步包括曲率可调的柱面镜，所述柱面镜位于图像源和透镜组之间。
进一步的，所述柱面镜满足如下关系式：
F＝n-1/r，
其中，F为柱面镜的屈光力，n为柱面镜的折射率，r为其曲率半径。
进一步的，曲面镜内表面焦距范围为：10mm～100mm。
进一步的，曲面镜的倾斜角为-20～20度；分光镜的倾斜角为30～60度。
进一步的，所述透镜组包含至少一片透镜。
进一步的，所述曲面镜在视轴方向上，不超过分光镜的左侧外缘。
进一步的，所述光学系统满足关系式：
D1＝2*f’*tan(F1/2)
其中，D1为图像源的对角线长度，f’为透镜组和曲面镜的组合焦距，F1为人眼可以看到的视场范围。
本发明还提供了一种增强现实眼镜，包括光学系统、微显示器、显示部件以及支撑光学系统的眼镜架，所述微显示器为OLED、LCOS、LCD或者高亮OLED，安装与眼镜架的镜框之上；
眼镜架的镜框用于支撑镜片，所述镜片和光学系统共用；
显示控制部件内置于眼镜架的镜腿；向微显示器发送要显示的图像；
光学系统的其他部分位于镜片的上方内侧，接收微显示器发送的图像光。
进一步的，所述显示控制部件包括存储部、控制部以及传感器；其中，
存储部用于存储光学系统要显示的图像内容；
控制部，用于将存储部中的内容传递给微显示器；根据传感器发送的检测信息控制微显示器图像的显示；
传感器，用于检测外部信息，传递给控制部。
采用本发明所述的光学系统，以及使用该光学系统的增强现实眼镜，通过光学系统自身的透镜和曲面镜的光焦度调整，适应不同视度的用户使用，使有视度问题的用户在不需单独佩戴视度镜片的情况下，也能清晰的看到增强显示图像；同时，通过增加柱面镜可以进一步适用具有散光问题的用户，使其看到显示的画面更舒适。进一步的，本发明中的光学系统的曲面镜可向下延展，有效遮挡下部的光线，减少对人眼的干扰，并扩大了观察视野。
附图说明
图1～图3为现有技术中BB结构的光路示意图；
图4为本发明第一实施例的光路结构示意图；
图5为本发明实施例的观察视野示意图；
图6为本发明第二实施例的光路结构示意图；
图7为本发明实施例中增强现实眼镜示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例与附图来对本发明进行详细说明。
第一实施例
一种光学系统，如图4所示的，包括透镜组41、分光镜42以及曲面镜43，图像源44的发出的光依次经过透镜组41、分光镜42、曲面镜43，然后再次经过分光镜42到达人眼，在人眼中成像，同时，环境光经过曲面镜43、分光镜42到达人眼。使人眼可以同时看到图像源图像和环境图像，达到增强现实显示的目的。
其中，透镜组包含至少一片透镜，在本发明实施例中为透镜41，对图像源的光路进行放大，所述透镜41的面型不做限制，可以为球面、非球面或自由曲面等。透镜组中的透镜和曲面镜43的曲率相互配合形成一定的光焦度，以使不同视度的用户可以清晰的观看来自图像源44的虚拟图像显示效果。
分光镜42靠近图像源44的一侧为上表面，其上表面镀有预定透反比的分光膜，以调整人眼看到的画面亮度，达到比较舒适的程度。分光镜42相对于人眼视轴x成预定的倾斜角，倾斜角不同，分光镜42反射、透射的光线也不同，虚拟图像的亮度也随之调整。所述倾斜角为30～60度；优选的，倾斜角为45度时，人眼看到的图像会有比较好的效果。
曲面镜43靠近分光镜42的一侧为内表面431，靠近环境侧的一面为外表面432，内表面431与外表面432配合形成一定的光焦度，以适应人眼的不同视度，使使用者可以观察到清晰的环境图像。曲面镜43的面型、材料不做限制，优选的为球面、非球面或者自由曲面。曲面镜43的形状可以根据需要设定，鉴于本发明方案的轻薄设计，曲面镜43可以形成普通眼镜的外观。曲面镜43的内表面镀有预定透反比的分光膜，以调整人眼看到的画面亮度，达到比较舒适的程度。曲面镜43与垂直于视轴x的方向形成预定的倾斜角，用以调整人眼看到的图像亮度。所述倾斜角范围为-20～20度，优选的，倾斜角为0度时，人眼看到的图像会有比较好的效果。
进一步的，曲面镜43内表面的焦距范围为10mm～100mm，可适用视度在-20D～20D范围内的用户使用。
作为用于近眼显示设备的光学系统，考虑到重量、轻小型等因素，图像源采用OLED、LCOS、LCD、DLP等，优选的，使用发光亮度高的OLED、DLP会有更好的显示效果。
本发明实施例的光学系统，可通过如下公式来描述：
D1＝2*f’*tan(F1/2)
其中，D1为图像源44的对角线长度，f’为透镜41和曲面镜43的组合焦距，F1为人眼可以看到的虚拟图像的视场角度范围。
根据本发明第一实施例，各光学表面参数如表1、表2所示，其中，透镜411为透镜靠近图像源的一面，透镜412位透镜远离图像源的一面：
表1：
表2：
序号 形状 曲率半径(mm) 厚度(mm) 属性 Y偏心 Alpha倾斜
瞳孔 球面 无限 22 折射 0 25
43 球面 -50 2 反射
42 球面 无限 15 反射 0 42
412 球面 1119.7 2 折射 10.30588 -5
411 球面 -1119.7 4.5 折射
44 球面 无限 0 折射 1.654213 -6.77699
431 球面 -50 1 反射
432 球面 -50 无限 -
如图4及表1所示，为本发明实施例针对视度为0.3D的结构及参数示例。表1中曲面镜43内表面为球面，曲率半径为-55mm，分光镜42为平面，厚度为15mm，透镜41的上表面和下表面为球面，曲率半径为53.1mm，其可适用视度为0.3D的用户。表2中，曲面镜43内表面为球面，曲率半径为-50mm，分光镜42为平面，厚度为15mm，透镜41的上表面和下表面均为球面，曲率半径约1119mm，其可适用于视度为0D的用户。
在本发明实施例中，曲面镜43的形状可根据需要裁剪，曲面镜43沿下边缘的方向延伸以更加接近使用者的面部，在视轴x方向上，不超过分光镜42的左侧外缘。
采用本发明实施例中的光学系统，如图5所示的，具有一定视度的使用者在不需单独佩戴视度眼镜的情况下，也可以清晰的看到虚拟图像和环境图像，并且，通过曲面镜延展，在遮挡下部光线的同时，扩大了使用者的观察视野。图5中虚线所构成的扇形区域，即为人眼的可视区域，相比现有技术，可视区域增大。
第二实施例
与第一实施例类似的，光学系统包括：透镜61、分光镜62、曲面镜63，本实施例中还进一步包括柱面镜64，用来校正人眼的散光。
图像源65的图像光依次经过柱面镜64、透镜61、分光镜62、曲面镜63，然后经过曲面镜63反射后，再次经过分光镜62到达人眼。使人眼可以看到虚拟图像。环境光经过曲面镜63、分光镜62到达人眼，使人眼可以看到外界的环境。
其中，柱面镜64，其靠近图像源的一侧为上表面，靠近透镜61的一侧为下表面，上表面为平面，下表面面型不做限制，柱面镜64的上表面和下表面相适配形成一定的光焦度，实现对人眼的散光的适用；柱面镜64的屈光力与下列公式有关：
F＝n-1/r
其中，F为柱面镜的屈光力，单位为“D”，n为柱面镜的折射率，r为柱面镜垂直于光轴方向上的曲率半径。
图像光经过柱面镜64后，使得具有散光的用户，在不佩戴散光眼镜的情况下，可以清晰的看到虚拟图像。
透镜组包括至少一片透镜，对其面型不做限制，可以为球面、非球面或自由曲面，在本实施例中为一片透镜61，其靠近柱面镜64的一面为上表面，靠近分光镜62的一面为下表面，上表面和下表面配合实现一定的光焦度，实现对透镜曲率半径的调整，并进一步与曲面镜配合，适用不同视度的人眼。使得具有一定视度的用户，在不佩戴视度眼镜的情况下，也能清晰的看到虚拟图像。微显示屏、柱面镜以及透镜组共轴。
分光镜62为平面镜，其靠近透镜61的一面为上表面，靠近人眼的一面为下表面，上表面镀有预定透反比的分光膜，与人眼视轴x成预定的倾斜角，所述倾斜角范围为30～60度。曲面镜63的面型不做限定，可以为球面、非球面或自由曲面，其朝向人眼的一面为内表面，镀有预定透反比的分光膜，朝向环境的一侧为外表面。曲面镜63与垂直于视轴x的方向形成预定的倾斜角，所述倾斜角范围为-20～20度，通过改变分光镜62和曲面镜63上分光膜的透反比，以及配合调节或单独调节分光镜62的倾斜角和曲面镜63的倾斜角，可以调整虚拟图像和环境图像在人眼中的成像亮度和成像效果，优选的，所述分光镜62的倾斜角为45度，曲面镜63的倾斜角为0度时，虚拟图像和外界环境图像会有比较好的成像效果。
曲面镜63的内表面和外表面配合，形成一定的光焦度，可以实现对人眼视度的适应，使具有一定视度的人，在不佩戴视度眼镜的情况下，也能清晰的看到外界环境图像。本实施中，曲面镜的内表面焦距范围为10mm～100mm，可适应视度范围为-20D～20D的用户使用。
作为应用于近眼显示设备的光学系统，轻量化、小巧是其重要的考量因素，所以，图像源采用OLED、LCOS、LCD、DLP等，优选的，使用发光亮度高的OLED或DLP会有更好的显示效果。
本发明实施例的光学系统，可通过如下公式来描述：
D1＝2*f’*tan(F1/2)
其中，D1为图像源的对角线长度，f’为透镜组和曲面镜的组合焦距，F1为人眼可以看到的虚拟图像的视场范围。
根据本发明实施例，各光学表面参数如表3、表4所示，其中，641为柱面镜的上表面，642为柱面镜的下表面，631为曲面镜的内表面，632为曲面镜的外表面，611为透镜的上表面，612为透镜的下表面。
表3：
序号 形状 曲率半径mm) 厚度(mm) 属性 Y偏心 Alpha倾斜
瞳孔 球面 无限 22 折射 0 25
63 球面 -60 2 反射
62 球面 无限 15 反射 0 42
612 球面 45.48496 2 折射 11.16813 -5
611 球面 -45.485 0.1 折射
642 柱面 -643 1.5 折射
641 球面 无限 6 折射
65 球面 无限 0 折射 1.601732 -10
631 球面 -60 反射
632 球面 -255 -
表4：
如表3所示的，在本实施例第一组设计参数中，柱面镜64曲率半径为-643mm，透镜组中的透镜61曲率半径为45.48mm，分光镜62为平面镜，厚度为15mm，曲面镜63曲率半径为-60mm，可适用于视度为10D，散光为0.2D的用户佩戴。
本实施例第二组设计参数如表4所示，柱面镜64曲率半径为-643mm，透镜组中的透镜61曲率半径为4249mm，分光镜62为平面镜，厚度为15mm，曲面镜63曲率半径为-50mm，可适用于视度为-10D，散光为0.2D的用户佩戴。
本发明实施例中的曲面镜63可根据需要设计成普通眼镜的外观，其形状可根据需要设定，可顺着下部边缘延展以更加接近使用者的面部，在视轴x方向上，不超过分光镜的左侧外缘。
本发明还公开了一种包含上述光学系统的增强现实眼镜，采用如上所述的光学系统，体积小，重量轻，可以设计成普通眼镜的外观，因此，本发明所述的眼镜如图7所示，包括眼镜架、微显示器(未示出)、显示部件(未示出)、光学系统(未示出)，其中所述眼镜的镜片与光学系统共用，即为光学系统的曲面镜，或者进一步的在曲面镜外附加其他矫正视力用元件构成；眼镜架进一步包括镜框72和镜腿71；
微显示器安装在镜框72之上，将要显示的图像传给光学系统；
眼镜架的镜框72用于为镜片提供支撑；
显示控制部件内置于眼镜架的镜腿71位置，用于将要显示的内容传输给微显示器；
光学系统的其他部件可选择的置于眼镜镜片的上部内侧或其他需要的位置。
其中，显示控制部件包括控制部、存储部、传感器。
存储部用于存储光学系统要显示的图像；
控制部，用于将存储部中的图像传递给微显示器；
传感器为公知的传感器，或者传感器的组合，作为一个例子，可以为GPS接收器、加速度传感器、陀螺仪传感器、照度传感器或麦克风等，通过传感器检测外界信息，并将检测信息传输至控制部；控制部根据检测信息控制微显示器内容的显示，例如根据位置坐标、加速度、角速度、外界声音等开启、关闭或者切换微显示器通过光学系统传递至人眼的显示内容。
进一步的，所述眼镜上预留通信接口，用于读取外部设备中的图像信息，并存储在存储部，或直接传送给微显示器，所述通信接口为USB接口、HDMI接口等现有的数据传输接口；所述外部设备包括移动终端、服务器或者PC等。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，特别具体示例参数并不应作为唯一限定性作用，限定本发明的保护范围。本领域技术人员根据本发明的技术方案，调整的具有其他具体参数而形成的光学系统，同样在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，包括透镜组、分光镜以及曲面镜，图像源的图像光依次经过透镜组、分光镜、曲面镜，经曲面镜反射后再次经过分光镜，到达人眼，环境光经过曲面镜、分光镜到达人眼；
曲面镜的内表面和外表面相配合调整光焦度；
相应的，透镜组的透镜与曲面镜相配合调整光焦度；
分光镜的上表面和曲面镜的内表面镀有预定透反比的反射膜；
所述曲面镜向下延展以贴近使用者面部，且在视轴方向上，不超过分光镜的左侧外缘。
2.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，
所述光学系统进一步包括曲率可调的柱面镜，所述柱面镜位于图像源和透镜组之间。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述柱面镜满足如下关系式：
F＝n-1/r，
其中，F为柱面镜的屈光力，n为柱面镜的折射率，r为柱面镜的曲率半径。
4.根据权利要求1或3所述的光学系统，其特征在于，曲面镜内表面焦距范围为：10mm～100mm。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，曲面镜的倾斜角为-20～20度。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，所述透镜组包含至少一片透镜。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述分光镜的倾斜角在30～60度范围内调节，以使图像光到达使用者眼镜的亮度。
8.根据权利要求6或7所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足关系式：
D1＝2*f’*tan(F1/2)
其中，D1为图像源的对角线长度，f’为透镜组和曲面镜的组合焦距，F1为人眼可以看到的视场角度范围。
9.一种增强现实眼镜，包括如权利要求1～8任一所述的光学系统、微显示器、显示控制部件以及支撑光学系统的眼镜架，其特征在于，所述微显示器为OLED、LCOS、LCD或者DLP型，安装于眼镜架的镜框之上；
眼镜架的镜框用于支撑镜片，所述镜片至少包括所述光学系统的曲面镜；
显示控制部件内置于眼镜架的镜腿；向微显示器发送要显示的图像；
光学系统的其他部分位于镜片的上方内侧，接收微显示器发送的图像光。
10.根据权利要求9所述的眼镜，其特征在于，所述显示控制部件包括存储部、控制部以及传感器；其中，
存储部用于存储光学系统要显示的图像；
控制部，用于将存储部中的内容传递给微显示器；根据传感器发送的检测信息控制微显示器图像的显示；
传感器，用于检测外部信息，传递给控制部。
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