CN110780447A - 一种用于增强现实眼镜的光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于增强现实眼镜的光学系统,涉及光学工程领域，解决现有AR眼镜视场角小，出瞳直径小，系统笨重的问题，包括显示系统和球面反射镜片；球面反射镜片具有两个面，第一个面为部分反射面，第二个面为透射面；瞳孔前方放置显示系统，显示系统位于球面反射镜的焦面上，显示系统和球面反射镜片的球心均位于瞳孔中心1cm范围之内；显示系统包括粘贴在透明基底上的线阵显示像元，透明基底外缘的基底延伸部、外边框、驱动系统和电子控制系统；驱动系统包括从动齿轮、驱动齿轮、旋转轴承和电机；本发明能够实现大视场角，大出瞳直径以及高分辨率的同时保持眼镜轻便，制造简单，成本低，易于实现，固定部件，结构稳定，无杂光干扰。
Description
技术领域
本发明涉及光学工程领域，具体涉及一种新型增强现实眼镜的光学系统。
背景技术
增强现实(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。增强现实眼镜是AR的主要实现方式。其能够给使用者提供大画面和3D效果。有潜力替代现有的显示和计算终端如手机，电脑和电视等，具有非常广泛的应用前景。
目前，有多种AR技术，包括离轴折反射结构，自由曲面棱镜，波导眼镜等，由于受到拉格朗日不变量的制约，都很难解决大视场角，大出瞳直径与体积之间的矛盾。离轴折反式结构一般呈头盔状，比较笨重。自由曲面棱镜视场角以及出瞳直径都比较小，而且系统厚重。波导AR虽然能够扩大出瞳直径，但是视场角难以做大，同时能量利用率很低。现有技术都无法解决光学性能与系统体积和质量之间的矛盾。
微软公开了一种基于旋转显示的方案(WO2019059991A1)。与其不同的是，此方案中使用了透镜阵列或者透镜作为聚焦光束的器件，透镜或者透镜阵列在旋转显示器与眼瞳之间，不同视场没有对称性。系统依然笨重。
发明内容
本发明为解决现有AR眼镜视场角小，出瞳直径小，系统笨重的问题，提供一种增强现实眼镜的光学系统。
一种增强现实眼镜的光学系统，包括显示系统和球面反射镜片；所述球面反射镜片具有两个面，第一个面为部分反射面，第二个面为透射面；瞳孔前方放置显示系统，所述显示系统位于球面反射镜的焦面上，显示系统和球面反射镜片的球心均位于瞳孔中心1cm范围之内；
所述显示系统包括粘贴在透明基底上的线阵显示像元，透明基底外缘的基底延伸部、外边框、驱动系统和电子控制系统；所述驱动系统包括从动齿轮、驱动齿轮、旋转轴承和电机；
所述基底延伸部的外边缘与旋转轴承内边缘接触，所述基底延伸部的突出部安装从动齿轮，旋转轴承外边缘与外边框内侧接触，外边框的外侧与球面反射镜片通过连接件连接；电机固定在外边框上靠近镜腿的位置；所述电机前端连接驱动齿轮；
通过电机控制线阵显示像元的转速，调整输入图像，显示连续画面。
一种增强现实眼镜的光学系统，包括显示系统和球面反射镜片；瞳孔前方放置显示系统，所述显示系统位于球面反射镜的焦面上，显示系统和球面反射镜片的球心均位于瞳孔中心1cm范围之内；
所述显示系统由分布在球面透明基底的孔状结构阵列或阵列外区域构成；
所述阵列之外区域为显示像素分布区域，显示像素发出的光经由球面反射镜片反射后，通过孔状结构阵列进入人眼；所述球面反射镜片具有两个面，第一个面为部分反射面，用于将显示系统上的图像放大并置于人眼可视范围，第二个面为透射面，用于矫正环境光以适应佩戴者的度数。
一种增强现实眼镜的光学系统，包括显示系统和球面反射镜片；瞳孔前方放置显示系统，所述显示系统位于球面反射镜的焦面上，显示系统和球面反射镜片的球心均位于瞳孔中心1cm范围之内；
所述显示系统由动态遮光层和透明显示屏幕构成，所述动态遮光层位于靠近人眼一侧，粘贴在透明显示屏幕下面，在透明显示屏幕像素点亮的位置小于人眼瞳孔范围内，动态遮光层为不透明状态的遮光区域，其余部分为透明区域；透明显示屏幕背向人眼方向发出的光经过部分反射面反射再次通过透明显示屏幕和动态遮光层的透明区域进入人眼，所述球面反射镜片具有两个面，第一个面为部分反射面，用于将显示系统上的图像放大并置于人眼可视范围，第二个面为透射面，用于矫正环境光以适应佩戴者的度数。
本发明的有益效果：本发明所述的增强现实眼镜的光学系统，能够实现大视场角，大出瞳直径以及高分辨率的同时保持眼镜轻便。
本发明所述的增强现实眼镜能够实现大于100°的视场角，出瞳直径可以大于8mm,分辨率能够达到2um像素且不同视场的分辨率保持一致，同时系统整体尺寸小，外观类似眼镜。
本发明所述的增强现实眼镜的光学系统，采用线阵显示像元旋转的方式，其制造简单，成本低，易于实现。
本发明所述的增强现实眼镜的光学系统，采用孔状显示屏幕，优点在于其是固定部件，结构稳定，无杂光干扰。
本发明所述的增强现实眼镜的光学系统，采用用透明显示屏幕和动态遮光屏幕结合，优点在于其是固定部件，结构稳定，制造相对容易。
附图说明
图1为本发明所述的一种增强现实眼镜的光学系统的整体结构示意图；
图2为本发明所述的一种增强现实眼镜的光学系统的调制函数曲线示意图；
图3为具有保护层并使用旋转线阵显示系统的示意图；
图4为具有一列线阵像元的显示系统结构示意图；
图5为十字线阵像元显示系统结构示意图；
图6为米字线阵像元显示系统结构示意图；
图7为本发明所述的一种增强现实眼镜的光学系统中驱动系统的结构图；其中，图7a为由齿轮带动旋转的结构示意图；图7b为旋转轴承结构示意图；
图8为本发明所述的一种增强现实眼镜的光学系统中驱动齿轮在中间位置时，齿轮驱动示意图；
图9为本发明所述的一种增强现实眼镜的光学系统中定子线圈与永磁体的位置关系示意图；
图10为本发明所述的一种增强现实眼镜的光学系统中磁悬浮线圈的旋转的结构示意图；
图11为本发明另一种结构的一种增强现实眼镜的光学系统中显示系统的示意图；其中，图11a为孔形显示系统的结构示意图；图11b为方形显示系统的结构示意图；图11c为六边形显示系统的结构示意图；
图12为本发明另一种使用透明显示屏幕和动态遮光层的一种增强现实眼镜光学系统示意图。
图中：1、显示系统，1-1、透明基底，1-2、基底延伸部，1-3、外边框，1-4、线阵显示像元，1-5、电子控制系统，1-6、控制连接线，1-7、从动齿轮，1-8、驱动齿轮，1-9、旋转轴承，1-9-1、旋转轴承转动部，1-9-2、旋转轴承固定部，1-9-3、轴承滚珠，1-10、驱动电机，1-11、永磁体，1-12a、定子线圈，1-12b、磁悬浮线圈，1-13、圆孔阵列，1-14、圆孔阵列之外区域，1-15、方孔阵列，1-16、圆孔阵列之外区域，1-17、多边形孔阵列，1-18、多边形孔阵列之外区域，1-19、动态遮光层，1-19-1、遮光区域，1-19-2、透明区域，1-20、透明显示屏幕，2、球面反射镜片，2-1、部分反射面，2-2、透射面，2-3、镜框，3、瞳孔位置，4、环境光，5、显示系统发出的光线，6、环境光与显示系统重叠光线，7、透明薄层，8、连接件，9、镜腿。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图10说明本实施方式，一种增强现实眼镜的光学系统，包括显示系统1和球面反射镜片2；所述球面反射镜片2具有两个面，第一个面为部分反射面2-1，用于将显示系统1上的图像放大并置于人眼可视范围，反射率可以在1％-99％之间，第二个面为透射面2-2，用于矫正环境光以适应佩戴者的度数。
瞳孔3前方放置显示系统1，显示系统1前面设置球面反射镜片2，所述显示系统1位于球面反射镜片2的焦面上，显示系统1和球面反射镜片2的球心均为瞳孔3中心附近，范围在1cm之内；
作为例子，通过本实施方式，设置系统入瞳大小为8mm,视场角为90°，下表列出其中一种可能的光学参数：
由上例获得的系统，其传递函数值如图2所示，能够在100lp/mm处，传递函数值大于0.2，因此，本实施方式可以获得非常高的分辨率。由以上数据证明，此系统光学性能及其优越，主要原因是其保持了最高的对称性，拉格朗日不变量不随视场增大而变化，完全消除了增大视场角对光学系统带来的负担，可以达到100°以上的视场角。
结合图3说明本实施方式，为了避免其他物体或者人体碰触到旋转的显示系统，最好在靠近人眼一侧安装保护透明薄层7。
结合图4至图7说明本实施方式，所述显示系统1由线阵显示像元1-4通过旋转产生，所述显示系统1包括粘贴在球面透明基底1-1上或者刚性线状基底上的线阵显示像元1-4，透明基底外缘的基底延伸部1-2，外边框1-3，驱动系统和电子控制系统1-5；所述驱动系统包括从动齿轮1-7、驱动齿轮1-8、旋转轴承1-9和电机1-10；在基底延伸部1-2上可以布置电子控制系统1-5和控制连接线1-6。所述电子控制系统1-5通过控制连接线与线阵显示像元1-4连接。
所述基底延伸部1-2的外边缘与旋转轴承1-9内边缘接触，基底延伸部1-2突出旋转轴承1-9一定长度，如1-10mm，在此突出部分安装从动齿轮1-7。旋转轴承1-9外边缘与外边框1-3内侧接触，外边框1-3的外侧与球面反射镜片2通过连接件8刚性连接；电机1-10固定在外边框1-3上靠近镜腿的位置；所述电机1-10前端连接驱动齿轮1-8；
通过电机1-10控制线阵显示像元1-4的转速，通过驱动系统可以实时监控旋转速度，调整输入图像，最终显示连贯的画面。
所述线阵显示像元1-4宽度需小于人眼瞳孔直径，可以为单列或者多列线状微像素点阵列构成，由线阵显示像元1-4发出的光经过部分反射面2-1反射进入人眼成像，由于线阵显示像元1-4的宽度小于瞳孔，所以被反射的光部分可以进入人眼成像。显然，线阵显示像元1-4宽度越小，进入人眼的光强越多。由于人眼的视觉暂留性，每秒显示大于24幅画面时，人眼就会感觉到图像是连贯的，当然，每秒显示画面越多人眼会感觉越连贯。在此方法中，旋转的速度决定了每秒显示多少画面。如图4所示，如果仅有一条线阵显示像元时，每秒转12圈，人眼会感觉到图像是连续的，要达到60Hz,则旋转速度为30圈每秒。显然，增加线阵显示像元数目，可以进一步降低所需旋转速度。如图5所示，当有两条线阵显示像元呈十字排布时，达到连贯的转速为6圈每秒，达到60Hz的转速为15圈每秒。如图6所示，当有4条线阵显示像元呈米子形排布时，达到连贯显示的转速为3圈每秒，达到60Hz的转速为7.5圈每秒。
结合图8说明本实施方式，本实施方式中，为了减轻系统的整体重量，可以将驱动齿轮1-8放在两个显示系统中间，同时驱动两个显示系统转动。
结合图9说明本实施方式，为了使结构更加紧凑，显示系统基底延伸部1-2的外边缘，突出旋转轴承1-9的突出部分设置布置永磁体1-11，外边框1-3上布置定子线圈1-12a作为定子，无需额外电机驱动，线圈通电后与所布置永磁体1-11形成电机系统，可以自行旋转。
结合图10说明本实施方式，为了降低摩擦，实现非接触的旋转，在显示系统的外边框1-3上布置磁悬浮线圈1-12b，轴承外边框和显示系统外边框1-3内侧中间留有缝隙，磁悬浮线圈1-12b可以和定子线圈1-12a在外边框1-3中交叉布置，磁悬浮线圈1-12b通电后，可以控制旋转部件(显示系统1)浮在空中旋转，旋转轴承的作用是断电后，避免显示系统与外边框的滑动摩擦，保护显示系统。
本实施方式中，所述连接件8可以为金属或非金属材质制作的带有弧度的连接件。由于基底延伸部1-2无光学作用，所以形状比较灵活。本实施方式中，通过外框的形状设计，可以将外边框1-3与镜框2-3设计为一体。
本实施方式中，所述电子控制系统1-5的供电方式可以为：采用电动机电刷的方法以及电子控制系统内部集成的电源或者在旋转部件与镜框中间，通过无线电磁感应的方式，给控制系统供电。
具体实施方式二、结合图1和图11说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种增强现实眼镜的光学系统的另一种实施例：包括显示系统1和球面反射镜片2；
所述球面反射镜片2具有两个面，第一个面为部分反射面2-1，用于将显示系统1上的图像放大并置于人眼可视范围，反射率可以在1％-99％之间，第二个面为透射面2-2，用于矫正环境光以适应佩戴者的度数。
瞳孔3前方放置显示系统1，显示系统1前面设置球面反射镜片2，所述显示系统1位于球面反射镜片2的焦面上，显示系统1和球面反射镜片2的球心均为瞳孔3中心附近，范围在1cm之内；
结合图11a说明本实施方式，所述显示系统1由分布在球面上的圆孔1-13阵列和圆孔阵列之外区域1-14组成，圆孔阵列可以透射经由反射镜反射的光和环境光4，其可以为空气，透明玻璃或者树脂或者能够减弱衍射效应的透明光学元件。阵列之外区域为显示像素分布区域。显示像素发出的光经由反射镜反射后，通过孔阵列进入人眼。显然，孔阵列也可以为像素分布区域，阵列之外为透光区域。像素区域不透明，光不能通过像素发光直接进入人眼，以消除杂光干扰。
结合图11b说明本实施方式，所述显示系统1由分布在球面上的方孔1-15阵列和方孔阵列之外区域1-16构成，方孔阵列可以透射经由反射镜反射的光和环境光，其可以为空气，透明物质或者能够减弱衍射效应的透明光学元件。阵列之外区域为显示像素分布区域。显示像素发出的光经由反射镜反射后，通过方孔阵列进入人眼。显然，方孔阵列也可以为像素分布区域，阵列之外为透光区域。像素区域不透明，光不能通过像素发光直接进入人眼，以消除杂光干扰。
结合图11c说明本实施方式，所述显示系统1由分布在球面上的多边形孔1-17阵列或多边形孔阵列之外区域1-18构成，多边形孔阵列可以透射经由反射镜反射的光和环境光，其可以为空气，透明物质或者能够减弱衍射效应的透明光学元件。阵列之外区域为显示像素分布区域。显示像素发出的光经由反射镜反射后，通过多边形孔阵列进入人眼。显然，多边形孔阵列也可以为像素分布区域，阵列之外为透光区域。像素区域不透明，光不能通过像素发光直接进入人眼，以消除杂光干扰。
具体实施方式三、结合图1、图2和图12说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种增强现实眼镜的光学系统的另一实施例：包括显示系统1、球面反射镜片2和瞳孔3；采用共轴对称形式，瞳孔3前方放置显示系统1，显示系统1前面设置球面反射镜片2，所述显示系统1位于球面反射镜片2的焦面上，显示系统1和球面反射镜片2的球心均为瞳孔3中心附近，范围在1cm之内；所述球面反射镜片2具有两个面，靠近显示系统的面为部分反射面2-1，其反射率可以在1％-99％之间。远离显示系统的面为透射面2-2，用来矫正环境光以适应佩戴者的近视度数。在此系统中，各个角度的视场相对瞳孔具有对称性，中心视场与其他各个方向具有相同的显示效果。因此大幅度提升了系统的光学性能。
所述显示系统1由球形透明显示屏幕1-20和动态遮光层1-19构成，所述动态遮光层1-19位于靠近人眼一侧，粘贴在透明显示屏幕1-20下面。所述动态遮光层1-19可以由液晶像素或电致变色材料阵列构成，采用现有控制板卡输出HDMI信号或VGA信号控制每个像素的透光或不透光；所述控制板卡可以固定在镜腿上。在球形透明显示屏幕1-20像素点亮的位置小于人眼瞳孔范围之内，动态遮光层1-19为不透明状态的遮光区域1-19-1，其他地方为透明区域1-19-2。被点亮像素朝人眼方向发出的光被遮光区域1-19-1遮挡而无法直接进入人眼，这样阻挡了直接进入人眼的杂散光。透明显示屏幕1-20背向人眼方向发出的光经过球面镜反射再次通过透明显示屏幕1-20和动态遮光层1-19的透明区域1-19-2进入人眼，由于遮光区域1-19-1的尺寸小于人眼，所以被反射回的光仍然有部分可以进入人眼，被人眼感知，同时，遮光区域1-19-1的尺寸需保证能够阻挡透明显示屏幕1-20直接朝向瞳孔发出的光，朝向人眼瞳孔之外区域发出的光可以不做遮挡。
作为例子，通过本实施方式，设置系统入瞳大小为8mm,视场角为90°，下表列出其中一种可能的光学参数：
| 表面 | 半径(mm) | 厚度(mm) | 材料 |
| 瞳孔3 | 无穷大 | 36 | 空气 |
| 部分反射面2-1 | 36 | -17.926 | 镜面 |
| 显示器系统1 | -18.027 | - | - |
由上例获得的系统，其传递函数值如图2所示，能够在100lp/mm处，传递函数值大于0.2，因此，本实施方式可以获得非常高的分辨率。由以上数据证明，此系统光学性能及其优越，主要原因是其保持了最高的对称性，拉格朗日不变量不随视场增大而变化，完全消除了增大视场角对光学系统带来的负担，可以达到100°以上的视场角。
Claims (10)
1.一种增强现实眼镜的光学系统，其特征是：包括显示系统(1)和球面反射镜片(2)；所述球面反射镜片(2)具有两个面，第一个面为部分反射面(2-1)，第二个面为透射面(2-2)；
瞳孔(3)前方放置显示系统(1)，所述显示系统(1)位于球面反射镜片(2)的焦面上，显示系统(1)和球面反射镜片(2)的球心均位于瞳孔中心1cm范围之内；
所述显示系统(1)包括粘贴在透明基底(1-1)上的线阵显示像元(1-4)，透明基底外缘的基底延伸部(1-2)、外边框(1-3)、驱动系统和电子控制系统(1-5)；所述驱动系统包括从动齿轮(1-7)、驱动齿轮(1-8)、旋转轴承(1-9)和电机(1-10)；
所述基底延伸部(1-2)的外边缘与旋转轴承(1-9)内边缘接触，所述基底延伸部(1-2)的突出部安装从动齿轮(1-7)，旋转轴承(1-9)外边缘与外边框(1-3)内侧接触，外边框(1-3)的外侧与球面反射镜片(2)通过连接件(8)连接；电机(1-10)固定在外边框(1-3)上靠近镜腿的位置；所述电机(1-10)前端连接驱动齿轮(1-8)；
通过电机(1-10)控制线阵显示像元(1-4)的转速，调整输入图像，显示连续画面。
2.根据权利要求1所述的一种增强现实眼镜的光学系统，其特征在于：所述电机(1-10)固定在外边框(1-3)上且位于两个显示系统中间位置，驱动齿轮(1-8)同时与两个从动齿轮啮合，实现两个显示系统转动。
3.根据权利要求1或2所述的一种增强现实眼镜的光学系统，其特征在于：驱动系统中，采用定子线圈(1-12a)和永磁体(1-11)代替从动齿轮(1-7)、驱动齿轮(1-8)和电机(1-10)；在所述外边框(1-3)上布置定子线圈(1-12a)，在延伸基底(1-2)外边缘的突出部设置永磁体(1-11)，所述基底延伸部(1-2)的外边缘与旋转轴承(1-9)内边缘接触，旋转轴承(1-9)外边缘与外边框(1-3)内侧接触，定子线圈(1-12a)通电后驱动永磁体(1-11)转动，带动线阵显示像元(1-4)旋转。
4.根据权利要求3所述的一种增强现实眼镜的光学系统，其特征在于：还包括设置在所述外边框(1-3)上的磁悬浮线圈(1-12b)，旋转轴承(1-9)外边框和外边框(1-3)内侧中间留有缝隙，磁悬浮线圈(1-12b)通电后，控制显示系统(1)浮在空中旋转。
5.根据权利要求4所述的一种增强现实眼镜的光学系统，其特征在于：在所述显示系统靠近人眼的侧面上安装透明保护薄层(7)。
6.根据权利要求5所述的一种增强现实眼镜的光学系统，其特征在于：所述线阵显示像元(1-4)为单条、两条呈十字排布或四条呈米字形排布。
7.一种增强现实眼镜的光学系统，其特征是：包括显示系统(1)和球面反射镜片(2)；所述球面反射镜片(2)具有两个面，第一个面为部分反射面(2-1)，用于将显示系统(1)上的图像放大并置于人眼可视范围，第二个面为透射面(2-2)，用于矫正环境光以适应佩戴者的度数；
瞳孔(3)前方放置显示系统(1)，显示系统(1)前面设置球面反射镜片(2)，所述显示系统(1)位于球面反射镜片(2)的焦面上，显示系统(1)和球面反射镜片(2)的球心均位于瞳孔中心1cm范围之内；
所述显示系统(1)由分布在球面透明基底的孔状结构阵列或阵列外区域构成；
所述阵列之外区域为显示像素分布区域，显示像素发出的光经由球面反射镜片(2)反射后，通过孔状结构阵列进入人眼。
8.根据权利要求7所述的一种增强现实眼镜的光学系统，其特征在于：所述孔状结构阵列与阵列外区域可互换，即：孔状结构阵列作为像素分布区域，阵列外区域作为透光区域。
9.根据权利要求8所述的一种增强现实眼镜的光学系统，其特征在于：所述孔状结构阵列为圆孔阵列、椭圆孔阵列、方孔阵列或多边形孔阵列。
10.一种增强现实眼镜的光学系统，其特征是：包括显示系统(1)和球面反射镜片(2)；瞳孔(3)前方放置显示系统(1)，所述显示系统(1)位于球面反射镜片(2)的焦面上，显示系统(1)和球面反射镜片(2)的球心均位于瞳孔中心1cm范围之内；
所述显示系统(1)由动态遮光层(1-19)和透明显示屏幕(1-20)构成，所述动态遮光层(1-19)位于靠近人眼一侧，粘贴在透明显示屏幕(1-20)下面，在透明显示屏幕(1-20)像素点亮的位置小于人眼瞳孔范围内，动态遮光层为不透明状态的遮光区域(1-19-1)，其余部分为透明区域(1-19-2)；透明显示屏幕(1-20)背向人眼方向发出的光经过部分反射面(2-1)反射再次通过透明显示屏幕(1-20)和动态遮光层(1-19)的透明区域(1-19-2)进入人眼，所述球面反射镜片(2)具有两个面，第一个面为部分反射面(2-1)，用于将显示系统(1)上的图像放大并置于人眼可视范围，第二个面为透射面(2-2)，用于矫正环境光以适应佩戴者的度数。
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