CN113176672A - 一种单投影仪3d成像的ar眼镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单投影仪3D成像的AR眼镜，包括：投影仪、波导镜片、耦入光栅、第一光路转向光栅、第一耦出光栅、第二光路转向光栅、第二耦出光栅、第一液晶光开关、第二液晶光开关和控制器；第一液晶光开关设置在耦入光栅和第一光路转向光栅之间，第二液晶光开关设置在耦入光栅和第二光路转向光栅之间；或者第一液晶光开关设置在第一耦出光栅朝向人眼的一侧，第二液晶光开关设置在第二耦出光栅朝向人眼的一侧；控制器与所述投影仪、所述第一液晶光开关和所述第二液晶光开关相连。本发明的AR眼镜只需要使用单个投影仪配合两个液晶光开关即可在人眼实现3D效果成像，降低了安装校准难度，节省了成本。

Description

一种单投影仪3D成像的AR眼镜

技术领域

本发明涉及AR显示技术领域，特别涉及一种单投影仪3D成像的AR眼镜。

背景技术

随着成像技术的进步，人们对沉浸式体验的需求越来越高，近年来VR/AR技术的发展，逐渐满足人们对视觉体验的追求。头戴式设备能解放人们的双手，降低对屏幕的依赖，同时营造更好的视觉效果。对于头戴式设备，近眼显示是其技术的关键，成像质量和轻薄性则是主要的考虑因素。近眼显示系统一般由图像远近光传输系统组成，图像源发出的图像画面，通过光学传输系统传递到人眼中。在此，区别于VR对外部环境的阻断，AR则需要有一定透过率，使佩戴者在看到图像画面的同时，可以看到外界的环境。

对于光学传输系统，业界有很多种方案，例如，自由空间光学，自由曲面光学，及显示光波导。其中，光波导技术由于其大eye box的特点，及其轻薄的特性，明显优于其他光学方案，成为各大公司的主流路径。

目前各厂商的AR眼镜产品大多使用双投影仪的配置，这种配置能分别控制左右眼的画面，从而合成有3D效果的视觉图像。然而，双投影仪在组装的时候步骤复杂，因为需要对所成图像进行校准，时耗高，良率低，不利于批量生产。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明提供一种单投影仪3D成像的AR眼镜，旨在解决现有技术的AR眼镜使用两个投影仪来成像，安装和校准麻烦，成本高的技术问题。

本发明的技术方案如下：

一种单投影仪3D成像的AR眼镜，其中，包括：投影仪，波导镜片，耦入光栅，第一光路转向光栅，第一耦出光栅，第二光路转向光栅、第二耦出光栅、第一液晶光开关、第二液晶光开关和控制器；

所述波导镜片包括左眼区、右眼区和连接所述左眼区和所述右眼区的鼻顶区，所述耦入光栅设置在所述鼻顶区内，所述第一光路转向光栅和所述第一耦出光栅设置在所述左眼区内，所述第二光路转向光栅和所述第二耦出光栅设置在所述右眼区内，所述耦入光栅、所述第一光路转向光栅和所述第一耦出光栅之间形成第一图像光路，所述耦入光栅、所述第二光路转向光栅和所述第二耦出光栅之间形成第二图像光路，所述投影仪朝向所述耦入光栅设置；

所述第一液晶光开关设置在所述耦入光栅和所述第一光路转向光栅之间的所述第一图像光路上，所述第二液晶光开关设置在所述耦入光栅和所述第二光路转向光栅之间的所述第二图像光路上；或者所述第一液晶光开关设置在所述第一耦出光栅朝向人眼的一侧，所述第二液晶光开关设置在所述第二耦出光栅朝向人眼的一侧；

所述控制器与所述投影仪、所述第一液晶光开关和所述第二液晶光开关相连，所述控制器用于当所述投影仪输出奇数帧图像时，控制所述第一液晶光开关打开，所述第二液晶光开关关闭，以及用于当所述投影仪输出偶数帧图像时，控制所述第一液晶光开关关闭，所述第二液晶光开关打开。

所述的单投影仪3D成像的AR眼镜，其中，当所述第一液晶光开关设置在所述耦入光栅和所述第一光路转向光栅之间的所述第一图像光路上时，所述第一液晶光开关朝向所述耦入光栅的表面粘贴有第一偏光片；

当所述第二液晶光开关设置在所述耦入光栅和所述第二光路转向光栅之间的所述第二图像光路上时，所述第二液晶光开关朝向所述耦入光栅的表面粘贴有第二偏光片。

所述的单投影仪3D成像的AR眼镜，其中，所述耦入光栅和所述第一光路转向光栅之间的所述波导镜片上设置有用于容置所述第一液晶光开关的第一挖槽，所述第一液晶光开关可拆卸设置在所述第一挖槽内，所述耦入光栅和所述第二光路转向光栅之间的所述波导镜片上设置有用于容置所述第二液晶光开关的第二挖槽，所述第二液晶光开关设置在所述第二挖槽内。

所述的单投影仪3D成像的AR眼镜，其中，所述AR眼镜还包括用于固定所述第一液晶光开关和所述第二液晶光开关的支撑架。

所述的单投影仪3D成像的AR眼镜，其中，当所述第一液晶光开关设置在所述第一耦出光栅朝向人眼的一侧时，所述第一液晶光开关朝向所述第一耦出光栅的表面粘贴有第三偏光片；

当所述第二液晶光开关设置在所述第二耦出光栅朝向人眼的一侧时，所述第二液晶光开关朝向所述第二耦出光栅的表面粘贴有第四偏光片。

所述的单投影仪3D成像的AR眼镜，其中，所述耦入光栅，所述第一光路转向光栅，所述第一耦出光栅，所述第二光路转向光栅和所述第二耦出光栅均为表面浮雕光栅或体全息光栅。

所述的单投影仪3D成像的AR眼镜，其中，所述波导镜片的边缘涂覆有遮光层。

有益效果为：本发明提供了一种单投影仪3D成像的AR眼镜，包括：投影仪、波导镜片、耦入光栅、第一光路转向光栅、第一耦出光栅、第二光路转向光栅、第二耦出光栅、第一液晶光开关、第二液晶光开关和控制器；第一液晶光开关设置在耦入光栅和第一光路转向光栅之间，第二液晶光开关设置在耦入光栅和第二光路转向光栅之间；或者第一液晶光开关设置在第一耦出光栅朝向人眼的一侧，第二液晶光开关设置在第二耦出光栅朝向人眼的一侧；控制器与所述投影仪、所述第一液晶光开关和所述第二液晶光开关相连。本发明的AR眼镜只需要使用单个投影仪配合两个液晶光开关即可在人眼实现3D效果成像，降低了安装校准难度，节省了成本。

附图说明

图1为本发明一种单投影仪3D成像的AR眼镜俯视视角的透视图；

图2为图1AR眼镜的正视视角的透视图；

图3为本发明一种第一液晶光开关和第二液晶光开关的连接结构示意图；

图4为本发明另一种单投影仪3D成像的AR眼镜俯视视角的透视图；

图5为图4AR眼镜的正视视角的透视图；

图6为图4AR眼镜的光路示意图。

附图标号如下：

10-投影仪；20-波导镜片；30-耦入光栅；40-第一光路转向光栅；50-第一耦出光栅；60-第二光路转向光栅；70-第二耦出光栅；80-第一液晶光开关；90-第二液晶光开关；100-左眼区；110-右眼区；120-鼻顶区；130-第一偏光片；140-第二偏光片；150-第一挖槽；160-第二挖槽；170-支撑架；180-第三偏光片；190-第四偏光片。

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。

目前国产AR眼镜的技术方案中，使图像产生3D效果的主流方法是采用双侧投影仪系统，两个投影仪分别控制左右两侧的图像，具体为：使用计算机建立3D物体后，采集图像时使物体延中轴线向右旋转一定角度，使其适配左眼看到的图像，以此引入左眼视差，同理，对于引入右眼视差，则需使物体延中轴线向左旋转一定角度后采集图像。至此，便获得了拥有左右视差的两幅图像，然后用两个投影仪往左右眼分别投影左右视差图像，视网膜获取图像后经大脑处理，最终产生3D效果。使用两个投影仪的好处是能分别控制两个画面，为三维显示提供先决条件，但两个投影仪要考虑画面合成，安装和校准都非常麻烦，不利于商品化。

为了解决上述技术问题，参见图1和图2或参见图4和图5，本发明提供了一种单投影仪3D成像的AR眼镜，包括：投影仪10、波导镜片20、耦入光栅30、第一光路转向光栅40、第一耦出光栅50、第二光路转向光栅60、第二耦出光栅70、第一液晶光开关80、第二液晶光开关90和控制器；其中，投影仪10用于按照一定的刷新率交替提供左右眼3D成像所需的视差图像，耦入光栅30用于将投影仪10输出的视差图像的光线偏转一定角度以使视差图像的光线在波导镜片20中可以全反射的向第一光路转向光栅40和第二光路转向光栅60传播，第一光路转向光栅40用于视差图像的放大以及将视差图像的光线偏转至第一耦出光栅50，第二光路转向光栅60用于视差图像的放大以及将视差图像的光线偏转至第二耦出光栅70。

参见图2或参见图5，在本发明一种可选的实施方式中，所述波导镜片20包括左眼区100、右眼区110和连接所述左眼区100和所述右眼区110的鼻顶区120，所述耦入光栅30设置在所述鼻顶区120内，所述第一光路转向光栅40和所述第一耦出光栅50设置在所述左眼区100内，所述第二光路转向光栅60和所述第二耦出光栅70设置在所述右眼区110内，参见图6，所述耦入光栅30、所述第一光路转向光栅40和所述第一耦出光栅50之间形成第一图像光路，所述耦入光栅30、所述第二光路转向光栅60和所述第二耦出光栅70之间形成第二图像光路，所述投影仪10朝向所述耦入光栅30设置；

参见图1，所述第一液晶光开关80设置在所述耦入光栅30和所述第一光路转向光栅40之间的所述第一图像光路上，所述第二液晶光开关90设置在所述耦入光栅30和所述第二光路转向光栅60之间的所述第二图像光路上；

或者参见图4和图6，所述第一液晶光开关80设置在所述第一耦出光栅50朝向人眼的一侧，所述第二液晶光开关90设置在所述第二耦出光栅70朝向人眼的一侧；

所述控制器与所述投影仪10、所述第一液晶光开关80和所述第二液晶光开关90相连，所述控制器用于当所述投影仪10输出奇数帧图像时，控制所述第一液晶光开关80打开，所述第二液晶光开关90关闭，以及用于当所述投影仪10输出偶数帧图像时，控制所述第一液晶光开关80关闭，所述第二液晶光开关90打开。

现有技术的AR眼镜大多是通过两个投影仪来实现三维显示的，然而双投影仪安装难度大，生产困难。本发明是利用单投影仪来实现三维显示，安装时仅需对准中间耦入光栅30的位置即可，安装难度低，容易生产。在本发明中，AR眼镜优选通过在耦入光栅30(光栅耦合器)的两侧波导镜片20内嵌入第一液晶光开关80(液晶光阀)和第二液晶光开关90来实现，嵌入式液晶光开关的方案相比在左眼设置第一耦出光栅50和右眼设置第二耦出光栅70的外置式液晶光开关相比，液晶光开关安装在耦入光栅30的两侧，不会增加眼镜厚度，因此AR眼镜可以做的更加小巧，。另外由于液晶对偏振光的选择性，非偏振光穿过液晶光开关必然会损失一半的亮度，从耦入光栅30的两侧的波导镜片20上进行阻隔只会衰减投影图像的亮度，并不会对自然光产生影响，故不会影响对外界环境的观察。

本发明的AR眼镜通过配合时分复用技术，在高刷新率下连续交替刷新两副含不同视差信息的图像来实现单投影仪的三维显示效果，优选地，使用120Hz刷新率的投影仪，投影仪奇数帧导入含左眼视差的图像，偶数帧导入含右眼视差的图像，两幅图像交替刷新。通过与投影仪连接的控制器控制两个液晶光开关的电压值。当刷新奇数帧时，接通第一液晶光开关的电路，通过施加电压改变液晶分子的排列方向，使光束透过第一液晶光开关，同时断开第二液晶光开关的电路，阻隔右侧光束，使左眼能获取图像，右眼无法获取；当刷新偶数帧时，接通第二液晶光开关电路，通过施加电压改变液晶分子的排列方向，使光束透过第二液晶光开关，同时断开第一液晶光开关的电路，阻隔左侧光束，使右眼获取图像，左眼无法获取。最终实现左右图像的交替出现，且由于刷新率大于24Hz，达120Hz，可投影出稳定的两幅含左右眼视差的图像，经大脑合成后，产生三维立体效果。

参见图1和图3，在本发明一种可选的实施方式中，当所述第一液晶光开关80设置在所述耦入光栅30和所述第一光路转向光栅40之间时，所述第一液晶光开关80朝向所述耦入光栅30的表面粘贴有第一偏光片130；

当所述第二液晶光开关90设置在所述耦入光栅30和所述第二光路转向光栅60之间时，所述第二液晶光开关90朝向所述耦入光栅30的表面粘贴有第二偏光片140。

参见图2，在本发明一种可选的实施方式中，所述耦入光栅30和所述第一光路转向光栅40之间的所述波导镜片20上设置有用于容置所述第一液晶光开关80的第一挖槽150，所述第一液晶光开关80可拆卸设置在所述第一挖槽150内，所述耦入光栅30和所述第二光路转向光栅60之间的所述波导镜片20上设置有用于容置所述第二液晶光开关90的第二挖槽160，所述第二液晶光开关90设置在所述第二挖槽160内。

参见图3，在本发明一种可选的实施方式中，所述AR眼镜还包括用于固定所述第一液晶光开关80和所述第二液晶光开关90的支撑架170。参见图4，在本发明一种可选的实施方式中，当所述第一液晶光开关80设置在所述第一耦出光栅50朝向人眼的一侧时，所述第一液晶光开关80朝向所述第一耦出光栅50的表面粘贴有第三偏光片180；

当所述第二液晶光开关90设置在所述第二耦出光栅70朝向人眼的一侧时，所述第二液晶光开关90朝向所述第二耦出光栅70的表面粘贴有第四偏光片190。

在本实施例中，本发明AR眼镜的主要原理是时分复用技术和光的偏振性相结合。液晶光开关前都有一块偏光片，由于光有偏振性，可分解为s波和p波，两者正交。基于液晶的通光特性，只允许平行于其排列方向的光波通过，垂直于其排列方向的光波则会被吸收。在此，假设s波平行于水平线，液晶分子在没有施加电压时，其排列方式同样平行于水平线，偏光片阻隔s波，透过p波。当光通过偏光片5时，s波被阻隔，p波通过，此时左侧的液晶光开关没有施加电压，p波无法通过，右侧的液晶光开关施加电压，液晶分子变成垂直分布，p波透过，从而出现左眼黑屏，右眼有画面的情况；当左侧液晶屏施加电压，右侧断电，则左侧光波通过，出现画面，右侧光波阻隔，呈现黑屏。左右电压配合投影仪的刷新交替开关，最终实现左右画面交替出现的情况。本发明在第一液晶光开关80朝向所述第一耦出光栅50的表面和第二液晶光开关90朝向所述第二耦出光栅70的表面贴上一片偏光片，目的是使出瞳光束变成线偏光，之后再由第一液晶光开关80和第二液晶光开关90进行开关调制后入设到人左右眼中。

在本发明一种可选的实施方式中，所述耦入光栅30，所述第一光路转向光栅40，所述第一耦出光栅50，所述第二光路转向光栅60和所述第二耦出光栅70均为表面浮雕光栅或体全息光栅。在本实施例中，本发明技术方案中的各个光栅优选采用表面浮雕光栅或体全息光栅可以极大的降低技术方案实施的成本，便于AR眼镜的推广普及。

在本发明一种可选的实施方式中，所述波导镜片20的边缘涂覆有遮光层。遮光层可以采用现有技术任意一种黑色涂料，目的是防止外部光线对视差图像光线的干扰，以提高最终的成像效果。

综上所述，本发明提供了一种单投影仪3D成像的AR眼镜，包括：投影仪、波导镜片、耦入光栅、第一光路转向光栅、第一耦出光栅、第二光路转向光栅、第二耦出光栅、第一液晶光开关和第二液晶光开关；耦入光栅、第一光路转向光栅和第一耦出光栅之间形成第一图像光路，耦入光栅、第二光路转向光栅和第二耦出光栅之间形成第二图像光路；第一液晶光开关设置在耦入光栅和第一光路转向光栅之间，第二液晶光开关设置在耦入光栅和第二光路转向光栅之间；或者第一液晶光开关设置在第一耦出光栅朝向人眼的一侧，第二液晶光开关设置在第二耦出光栅朝向人眼的一侧。本发明的AR眼镜只需要使用单个投影仪配合两个液晶光开关即可在人眼实现3D效果成像，降低了安装校准难度，节省了成本。

虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种单投影仪3D成像的AR眼镜，其特征在于，包括：投影仪，波导镜片，耦入光栅，第一光路转向光栅，第一耦出光栅，第二光路转向光栅、第二耦出光栅、第一液晶光开关、第二液晶光开关和控制器；

所述波导镜片包括左眼区、右眼区和连接所述左眼区和所述右眼区的鼻顶区，所述耦入光栅设置在所述鼻顶区内，所述第一光路转向光栅和所述第一耦出光栅设置在所述左眼区内，所述第二光路转向光栅和所述第二耦出光栅设置在所述右眼区内，所述耦入光栅、所述第一光路转向光栅和所述第一耦出光栅之间形成第一图像光路，所述耦入光栅、所述第二光路转向光栅和所述第二耦出光栅之间形成第二图像光路，所述投影仪朝向所述耦入光栅设置；

所述第一液晶光开关设置在所述耦入光栅和所述第一光路转向光栅之间的所述第一图像光路上，所述第二液晶光开关设置在所述耦入光栅和所述第二光路转向光栅之间的所述第二图像光路上；或者所述第一液晶光开关设置在所述第一耦出光栅朝向人眼的一侧，所述第二液晶光开关设置在所述第二耦出光栅朝向人眼的一侧；

所述控制器与所述投影仪、所述第一液晶光开关和所述第二液晶光开关相连，所述控制器用于当所述投影仪输出奇数帧图像时，控制所述第一液晶光开关打开，所述第二液晶光开关关闭，以及用于当所述投影仪输出偶数帧图像时，控制所述第一液晶光开关关闭，所述第二液晶光开关打开。

2.根据权利要求1所述的单投影仪3D成像的AR眼镜，其特征在于，当所述第一液晶光开关设置在所述耦入光栅和所述第一光路转向光栅之间的所述第一图像光路上时，所述第一液晶光开关朝向所述耦入光栅的表面粘贴有第一偏光片；

当所述第二液晶光开关设置在所述耦入光栅和所述第二光路转向光栅之间的所述第二光路上时，所述第二液晶光开关朝向所述耦入光栅的表面粘贴有第二偏光片。

3.根据权利要求2所述的单投影仪3D成像的AR眼镜，其特征在于，所述耦入光栅和所述第一光路转向光栅之间的所述波导镜片上设置有用于容置所述第一液晶光开关的第一挖槽，所述第一液晶光开关可拆卸设置在所述第一挖槽内，所述耦入光栅和所述第二光路转向光栅之间的所述波导镜片上设置有用于容置所述第二液晶光开关的第二挖槽，所述第二液晶光开关设置在所述第二挖槽内。

4.根据权利要求3所述的单投影仪3D成像的AR眼镜，其特征在于，所述AR眼镜还包括用于固定所述第一液晶光开关和所述第二液晶光开关的支撑架。

5.根据权利要求1所述的单投影仪3D成像的AR眼镜，其特征在于，当所述第一液晶光开关设置在所述第一耦出光栅朝向人眼的一侧时，所述第一液晶光开关朝向所述第一耦出光栅的表面粘贴有第三偏光片；

当所述第二液晶光开关设置在所述第二耦出光栅朝向人眼的一侧时，所述第二液晶光开关朝向所述第二耦出光栅的表面粘贴有第四偏光片。

6.根据权利要求1所述的单投影仪3D成像的AR眼镜，其特征在于，所述耦入光栅，所述第一光路转向光栅，所述第一耦出光栅，所述第二光路转向光栅和所述第二耦出光栅均为表面浮雕光栅或体全息光栅。

7.根据权利要求1所述的单投影仪3D成像的AR眼镜，其特征在于，所述波导镜片的边缘涂覆有遮光层。

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