CN111965820A - 一种光学结构和可穿戴式设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种光学结构，该光学结构包括：光学结构包括：图像源、第一成像组、平面透返元件和第二成像组；其中：所述图像源，用于发出第一入射光至所述第一成像组；所述第一成像组，用于使所述第一入射光进行至少两次光路折返，并对所述第一入射光进行准直会聚得到第二入射光，并发射所述第二入射光至所述平面透返元件；所述平面透返元件，用于反射所述第二入射光至所述第二成像组；所述第二成像组，用于将所述第二入射光进行处理得到第三入射光，并反射所述第三入射光至所述平面透返元件；所述平面透返元件，还用于透射所述第三入射光至用户眼睛接收图像位置处。本申请实施例还提供了一种可穿戴式设备。

Description

一种光学结构和可穿戴式设备

技术领域

本申请涉及电子技术领域，尤其涉及一种光学结构和可穿戴式设备。

背景技术

随着科学技术的发展，用户期望与数字世界的互动方式从二维方式转移到沉浸感更强的三维方式，即只使用语言功能转移到包含视觉在内的全方位体验，这些互动领域可以包括商业、体验店、机器人、虚拟助理、区域规划、监控等。因此，增强现实(AugmentedReality，AR)技术应运而生。AR技术是促使真实世界信息和虚拟世界信息内容之间综合在一起的较新的技术内容，其将原本在现实世界的空间范围中比较难以进行体验的实体信息在电脑等科学技术的基础上，实施模拟仿真处理，叠加将虚拟信息内容在真实世界中加以有效应用，即真实环境和虚拟物体之间重叠之后，能够在同一个画面以及空间中同时存在，并且在这一过程中能够被人类感官所感知，从而实现超越现实的感官体验。

但是目前，由于AR光学结构的限制和AR设备的体积的限制，导致AR设备的视场角只能在50°左右，难以继续增大AR光学结构的视场角。

申请内容

有鉴于此，本申请实施例期望提供一种光学结构和可穿戴式设备，解决了目前由于AR光学结构的限制和AR设备的体积的限制，导致AR光学结构的视场角难以增大的问题，有效增大了AR光学结构的视场角的同时，可以有效地降低AR设备的体积。

为达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，一种光学结构，所述光学结构包括：图像源、第一成像组、平面透返元件和第二成像组；其中：

所述图像源，用于发出第一入射光至所述第一成像组；

所述第一成像组，用于使所述第一入射光进行至少两次光路折返，并对所述第一入射光进行准直会聚得到第二入射光，并发射所述第二入射光至所述平面透返元件；

所述平面透返元件，用于反射所述第二入射光至所述第二成像组；

所述第二成像组，用于将所述第二入射光进行处理得到第三入射光，并反射所述第三入射光至所述平面透返元件；

所述平面透返元件，还用于透射所述第三入射光至用户眼睛接收图像位置处。

可选的，所述第一成像组包括：至少一个目标元件；其中：

所述至少一个目标元件，用于使所述第一入射光实现所述至少两次光路折返。

可选的，所述目标元件，用于使所述第一入射光在所述目标元件内实现所述至少两次光路折返。

可选的，所述目标元件包括：第一表面和第二表面；其中：

所述第一入射光透射所述第一表面至所述第二表面后，在所述第二表面与所述第一表面上经过至少两次反射，最后从所述第二表面处透射至与所述目标元件相邻的下一元件；其中，所述第一表面与所述第二表面相对，且与所述第一入射光的传播方向垂直。

可选的，所述第一表面和所述第二表面设置有偏正分光膜或透反比为预设数值的反射膜。

可选的，所述第一入射光在所述第二表面与所述第一表面上经过至少两次反射的同时，所述第一表面和所述第二表面均还用于改变所述第一入射光的偏正态。

可选的，第一成像组包括以下元件至少之一：球面透镜、非球面透镜和二元光学元件。

可选的，所述第二成像组，用于将所述第二入射光进行处理得到第三入射光，包括：

所述第二成像组，用于改变所述第二入射光的偏正态，得到所述第三入射光。

可选的，所述平面透返元件与所述第二成像组之间的夹角为预设角度。

第二方面，一种可穿戴式设备，所述可穿戴式设备包括：穿戴装置、固定装置和上述任一项所述光学结构；其中：

所述固定装置，用于固定上述任一项所述光学结构；

所述穿戴装置，用于将所述固定装置和所述光学结构穿戴于用户身体上。

本申请的实施例所提供的光学结构和可穿戴式设备，光学结构包括：图像源、第一成像组、平面透返元件和第二成像组；其中：图像源，用于发出第一入射光至第一成像组；第一成像组，用于使第一入射光进行至少两次光路折返，并对第一入射光进行准直会聚得到第二入射光，并发射第二入射光至平面透返元件；平面透返元件，用于反射第二入射光至第二成像组；第二成像组，用于将第二入射光进行处理得到第三入射光，并反射第三入射光至平面透返元件；平面透返元件，还用于透射第三入射光至用户眼睛接收图像位置处。这样，通过第一成像组将接收到图像源发出的第一入射光进行至少两次光路折返，有效地缩短了第一入射光在光学结构中的光程，从而降低了光学结构的体积，同时还加大光学结构的视场角，解决了目前由于AR光学结构的限制和AR设备的体积的限制，导致AR光学结构的视场角难以增大的问题，有效增大了AR光学结构的视场角的同时，可以有效地降低AR设备的体积。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种光学结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种目标元件中的光路示意图；

图3为本申请实施例提供的一种平面透返元件与第二成像组之间的夹角示意图；

图4本申请实施例提供的一种光学结构的光路示意图；

图5为本申请实施例提供的一种可穿戴式设备的结构示意图。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本申请的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

本申请的实施例提供一种光学结构，参照图1所示，该光学结构包括：图像源11、第一成像组12、平面透返元件13和第二成像组14；其中：

图像源11，用于发出第一入射光至第一成像组12；

在本申请实施例中，图像源可以是微型显示芯片，其可以采用有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)、液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)和微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)等制成。图像源是图像源器件，产生图像光源并将图像光源即第一入射光投射到第一成像组。

第一成像组12，用于使第一入射光进行至少两次光路折返，并对第一入射光进行准直会聚得到第二入射光，并发射第二入射光至平面透返元件13；

在本申请实施例中，第一入射光由于第一成像组内元件的设置，可以在第一成像组内实现至少两次光路折返，从而缩短第一入射光在第一成像组内的光程，进一步能够缩短在整个光学结构中的光程，第一成像组实现对第一入射光进行至少两次光路折返的功能时，还用于实现对第一入射光进行准直和会聚，以便图像源发出的第一入射光全部入射至平面透返元件中，实现了压缩整个光路从而减小整个光机的体积，并且满足后续光路的需求的功能。

平面透返元件13，用于反射第二入射光至第二成像组14；

在本申请实施例中，平面透返元件实现的功能是对光学结构中的光路进行折转。

第二成像组14，用于将第二入射光进行处理得到第三入射光，并反射第三入射光至平面透返元件13；

在本申请实施例中，第二成像组用于改变第二入射光的偏正态，得到第三入射光并反射第三入射光至平面透返元件，实现光学结构中的光路的折返，有效减小光机的体积。偏正态具体可以是光偏振方向。

平面透返元件13，还用于透射第三入射光至用户眼睛接收图像位置处。

在本申请实施例中，平面透返元件具有选择光源反射和选择光源透射的功能。

需说明的是，图1中未示出第一入射光在第一成像组中实现至少两次光路折返的光路传播过程。

本申请的实施例所提供的光学结构，该光学结构包括图像源、第一成像组、平面透返元件和第二成像组；其中：图像源，用于发出第一入射光至第一成像组；第一成像组，用于使第一入射光进行至少两次光路折返，并对第一入射光进行准直会聚得到第二入射光，并发射第二入射光至平面透返元件；平面透返元件，用于反射第二入射光至第二成像组；第二成像组，用于将第二入射光进行处理得到第三入射光，并反射第三入射光至平面透返元件；平面透返元件，还用于透射第三入射光至用户眼睛接收图像位置处。这样，通过第一成像组将接收到图像源发出的第一入射光进行至少两次光路折返，有效地缩短了第一入射光在光学结构中的光程，从而降低了光学结构的体积，同时还加大光学结构的视场角，解决了目前由于AR光学结构的限制和AR设备的体积的限制，导致AR光学结构的视场角难以增大的问题，有效增大了AR光学结构的视场角的同时，可以有效地降低AR设备的体积。

基于前述实施例，本申请实施例提供一种光学结构，具体包括以下内容：

图像源11，用于发出第一入射光至第一成像组12；

第一成像组12，用于使第一入射光进行至少两次光路折返，并对第一入射光进行准直会聚得到第二入射光，并发射第二入射光至平面透返元件13；

平面透返元件13，用于反射第二入射光至第二成像组14；

第二成像组14，用于将第二入射光进行处理得到第三入射光，并反射第三入射光至平面透返元件13；

平面透返元件13，还用于透射第三入射光至用户眼睛接收图像位置处。

在本申请实施例中，第一成像组包括：至少一个目标元件；其中：

至少一个目标元件，用于使第一入射光实现至少两次光路折返。

在本申请实施例中，第一成像组除包括的至少一个目标元件外，还包括其他元件，至少一个目标元件用于使第一入射光实现至少两次光路折返，其他元件用于使第一入射光进行准直汇聚的功能。第一成像组包括的至少一个目标元件用于使第一入射光实现至少两次光路折返时，可以是使第一入射光在至少两个目标元件之间反射实现至少两次光路折返的，和/或是在至少一个目标元件内进行反射实现至少两次光路折返的。

在本申请其他实施例中，目标元件，用于使第一入射光在目标元件内实现至少两次光路折返。

在本申请其他实施例中，目标元件包括：第一表面和第二表面；其中：

第一入射光透射第一表面至第二表面后，在第二表面与第一表面上经过至少两次反射，最后从第二表面处透射至与目标元件相邻的下一元件；其中，第一表面与第二表面相对，且与第一入射光的传播方向垂直。

在本申请实施例中，示例性的，第一入射光在目标元件的第一表面和第二表面之间传播的过程可以如图2所示，包括图像源11发射的第一入射光A、目标元件B、目标元件的第一表面B1和目标元件的第二表面B2。其中，第一入射光A入射至目标元件B的第一表面B1并经过第一表面B1透射至第二表面B2，第一入射光A经由第二表面B2反射至第一表面B1后，第一表面B1继续对第一入射光A进行反射并反射至第二表面B2，至此，第二表面B2可以将第一表面B1反射回的第一入射光A进行透射，使第一入射光A最终透射出目标元件B。在一些应用场景中，第二表面B2还可以继续将第一表面B1反射回的第一入射光A反射至第一表面B1，再经由第一表面B1反射至第二表面，如此循环，直至最后从第二表面B2透射出目标元件B。

在本申请其他实施例中，第一表面和第二表面设置有偏正分光膜或透反比为预设数值的反射膜。

在本申请其他实施例中，第一入射光在第二表面与第一表面上经过至少两次反射的同时，第一表面和第二表面均还用于改变第一入射光的偏正态。

在本申请实施例中，示例性的，假设第一入射光为P偏振光入射至第一表面并透过第一表面发射至第二表面，第二表面改变P偏振光的偏正态，得到S偏振光，并将S偏振光反射至第一表面，第一表面改变S偏振光的偏正态，得到P偏振光，并将P偏振光反射至第二表面，若P偏振光反射至第二表面设置的透射位置时，从在第二表面的透射位置处将P偏振光透射至与目标元件下一光路相邻元件处。

在本申请其他实施例中，第一成像组包括以下元件至少之一：球面透镜、非球面透镜和二元光学元件。

在本申请实施例中，由于第一成像组包括以下元件至少之一：球面透镜、非球面透镜和二元光学元件，因此，目标元件也可以是以下元件至少之一：球面透镜、非球面透镜和二元光学元件。

在本申请其他实施例中，第二成像组，用于将第二入射光进行处理得到第三入射光，包括：

第二成像组，用于改变第二入射光的偏正态，得到第三入射光。

在本申请实施例中，假设第二入射光S偏振光，则第二成像组改变第二入射光的偏振态，得到的第三入射光为S偏振光，并将S偏振光反射至平面透返元件，以使平面反射元件透射第三入射光至用户眼睛接收图像位置处。

在本申请其他实施例中，平面透返元件与第二成像组之间的夹角为预设角度。

在本申请实施例中，预设角度为根据大量实验得到的经验值。例如预设角度可以为30°～40°之间，如此可以尽量减小整个光机的厚度并且保证成像光路的成像质量。示例性的，平面透返元件13与第二成像组14之间的夹角可以如图3中的α所示。平面反射元件可以是具有反射和透射功能的平面反射镜。

在本申请其他实施例中，平面透返元件靠近用户眼睛侧的表面镀有抗刮防指纹膜。

在本申请其他实施例中，第二成像组包括反射元件。

在本申请实施例中，反射元件可以是自由曲面反射镜，自由曲面反射镜的自由曲面是根据光路设计需求采用自由曲面计算方法进行计算得到的。

在本申请其他实施例中，反射元件靠近平面透返元件的表面镀有反射膜；或者，反射元件靠近平面透返元件的表面设置有四分之一波片。

在本申请其他实施例中，反射元件远离平面透返元件的表面镀有抗刮防指纹膜。

基于前述实施例，本申请实施例提供一种光学结构的应用场景图，如图4所示，包括图像源11、第一成像组12、平面透返元件13、第二成像组14和用户眼睛接收图像位置15，其中，第一成像组12包括第一透镜121、第二透镜122和第三透镜123，第二成像组14包括四分之一玻片141和自由曲面反射镜142。图像源11发射的第一入射光入射至第一成像组12中的第一透镜121中；并在第一透镜121中发生两次反射后，从第一透镜121中发射出至第二透镜122，并经由第二透镜122发射至第三透镜123，这样，经过第二透镜122和第三透镜123进行准直会聚得到第二入射光，并将第二入射光发射至平面透返元件13；平面透返元件13将第二入射光反射至第二成像组14中的四分之一玻片141处，第二入射光通过四分之一玻片后发生偏正态的改变，得到第三入射光，并发射第三入射光至自由曲面反射镜142处；第三入射光经由自由曲面反射镜142反射回四分之一玻片141处，并经过四分之一玻片141后，第三入射光的偏正态发生改变；改变偏正态后的第三入射光经过平面透返元件13透射至用户眼睛接收图像位置15处，这样，用户在用户眼睛接收图像位置15处可以接收到光信息，从而能够识别到图像源发出的图像内容。

本申请的实施例所提供的光学结构，该光学结构包括图像源、第一成像组、平面透返元件和第二成像组；其中：图像源，用于发出第一入射光至第一成像组；第一成像组，用于使第一入射光进行至少两次光路折返，并对第一入射光进行准直会聚得到第二入射光，并发射第二入射光至平面透返元件；平面透返元件，用于反射第二入射光至第二成像组；第二成像组，用于将第二入射光进行处理得到第三入射光，并反射第三入射光至平面透返元件；平面透返元件，还用于透射第三入射光至用户眼睛接收图像位置处。这样，通过第一成像组将接收到图像源发出的第一入射光进行至少两次光路折返，有效地缩短了第一入射光在光学结构中的光程，从而降低了光学结构的体积，同时还加大光学结构的视场角，解决了目前由于AR光学结构的限制和AR设备的体积的限制，导致AR光学结构的视场角难以增大的问题，有效增大了AR光学结构的视场角的同时，可以有效地降低AR设备的体积。

基于前述实施例，本申请实施例还提供一种可穿戴式设备2，参照图5所示，可穿戴式设备2包括：穿戴装置21、固定装置22和光学结构23；其中：

固定装置22，用于固定光学结构23；

穿戴装置21，用于将固定装置22和光学结构穿戴于用户身体上；

光学结构23，包括：图像源、第一成像组、平面透返元件和第二成像组；其中：

图像源，用于发出第一入射光至第一成像组；

第一成像组，用于使第一入射光进行至少两次光路折返，并对第一入射光进行准直会聚得到第二入射光，并发射第二入射光至平面透返元件；

平面透返元件，用于反射第二入射光至第二成像组；

第二成像组，用于将第二入射光进行处理得到第三入射光，并反射第三入射光至平面透返元件；

平面透返元件，还用于透射第三入射光至用户眼睛接收图像位置处。

在本申请其他实施例中，第一成像组包括：至少一个目标元件；其中：

至少一个目标元件，用于使第一入射光实现至少两次光路折返。

在本申请其他实施例中，目标元件，用于使第一入射光在目标元件内实现至少两次光路折返。

在本申请其他实施例中，目标元件包括：第一表面和第二表面；其中：

第一入射光透射第一表面至第二表面后，在第二表面与第一表面上经过至少两次反射，最后从第二表面处透射至与目标元件相邻的下一元件；其中，第一表面与第二表面相对，且与第一入射光的传播方向垂直。

在本申请其他实施例中，第一表面和第二表面设置有偏正分光膜或透反比为预设数值的反射膜。

在本申请其他实施例中，第一入射光在第二表面与第一表面上经过至少两次反射的同时，第一表面和第二表面均还用于改变第一入射光的偏正态。

在本申请其他实施例中，第一成像组包括以下元件至少之一：球面透镜、非球面透镜和二元光学元件。

在本申请其他实施例中，第二成像组，用于将第二入射光进行处理得到第三入射光，包括：

第二成像组，用于改变第二入射光的偏正态，得到第三入射光。

在本申请其他实施例中，平面透返元件与第二成像组之间的夹角为预设角度。

在本申请其他实施例中，平面透返元件靠近用户眼睛侧的表面镀有抗刮防指纹膜。

在本申请其他实施例中，第二成像组包括反射元件。

在本申请其他实施例中，反射元件靠近平面透返元件的表面镀有反射膜；或者，反射元件靠近平面透返元件的表面设置有四分之一波片。

在本申请其他实施例中，反射元件远离平面透返元件的表面镀有抗刮防指纹膜。

在本申请实施例中，可穿戴式设备具体可以是包括前述实施例中所提供的光学结构的增强现实(Augmented Reality，AR)设备。

需说明的是，在本申请实施例中与其他实施例中的元器件相同的描述，此处不再详细赘述，具体可以参照其他实施例中的描述。

本申请的实施例所提供的可穿戴式设备，该可穿戴式设备包括穿戴装置、固定装置和光学结构，其中，该光学结构包括图像源、第一成像组、平面透返元件和第二成像组；其中：图像源，用于发出第一入射光至第一成像组；第一成像组，用于使第一入射光进行至少两次光路折返，并对第一入射光进行准直会聚得到第二入射光，并发射第二入射光至平面透返元件；平面透返元件，用于反射第二入射光至第二成像组；第二成像组，用于将第二入射光进行处理得到第三入射光，并反射第三入射光至平面透返元件；平面透返元件，还用于透射第三入射光至用户眼睛接收图像位置处。这样，可穿戴式设备通过光学结构中的第一成像组将接收到图像源发出的第一入射光进行至少两次光路折返，有效地缩短了第一入射光在光学结构中的光程，从而降低了光学结构的体积，同时还加大光学结构的视场角，解决了目前由于AR光学结构的限制和AR设备的体积的限制，导致AR光学结构的视场角难以增大的问题，有效增大了AR光学结构的视场角的同时，可以有效地降低AR设备的体积。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学结构，所述光学结构包括：图像源、第一成像组、平面透返元件和第二成像组；其中：

所述图像源，用于发出第一入射光至所述第一成像组；

所述第一成像组，用于使所述第一入射光进行至少两次光路折返，并对所述第一入射光进行准直会聚得到第二入射光，并发射所述第二入射光至所述平面透返元件；

所述平面透返元件，用于反射所述第二入射光至所述第二成像组；

所述第二成像组，用于将所述第二入射光进行处理得到第三入射光，并反射所述第三入射光至所述平面透返元件；

所述平面透返元件，还用于透射所述第三入射光至用户眼睛接收图像位置处。

2.根据权利要求1所述的光学结构，所述第一成像组包括：至少一个目标元件；其中：

所述至少一个目标元件，用于使所述第一入射光实现所述至少两次光路折返。

3.根据权利要求2所述的光学结构，

所述目标元件，用于使所述第一入射光在所述目标元件内实现所述至少两次光路折返。

4.根据权利要求3所述的光学结构，所述目标元件包括：第一表面和第二表面；其中：

所述第一入射光透射所述第一表面至所述第二表面后，在所述第二表面与所述第一表面上经过至少两次反射，最后从所述第二表面处透射至与所述目标元件相邻的下一元件；其中，所述第一表面与所述第二表面相对，且与所述第一入射光的传播方向垂直。

5.根据权利要求4所述的光学结构，

所述第一表面和所述第二表面设置有偏正分光膜或透反比为预设数值的反射膜。

6.根据权利要求5所述的光学结构，

所述第一入射光在所述第二表面与所述第一表面上经过至少两次反射的同时，所述第一表面和所述第二表面均还用于改变所述第一入射光的偏正态。

7.根据权利要求1至6任一所述的光学结构，

第一成像组包括以下元件至少之一：球面透镜、非球面透镜和二元光学元件。

8.根据权利要求1所述的光学结构，所述第二成像组，用于将所述第二入射光进行处理得到第三入射光，包括：

所述第二成像组，用于改变所述第二入射光的偏正态，得到所述第三入射光。

9.根据权利要求1所述的光学结构，

所述平面透返元件与所述第二成像组之间的夹角为预设角度。

10.一种可穿戴式设备，所述可穿戴式设备包括：穿戴装置、固定装置和上述权利要求1至9中任一项所述光学结构；其中：

所述固定装置，用于固定上述权利要求1至9中任一项所述光学结构；

所述穿戴装置，用于将所述固定装置和所述光学结构穿戴于用户身体上。

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