CN113189777A - 一种双目ar目镜视觉纠正系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光学成像技术领域，提供了一种双目AR目镜视觉纠正系统，应用于双向波导模型，视觉纠正系统包括第一楔形透镜组和第二楔形透镜组，第一楔形透镜组包括左侧外楔形透镜和左侧内楔形透镜，左侧外楔形透镜和左侧内楔形透镜覆盖置于入瞳区域左侧的出瞳区域，第二楔形透镜组包括远离人眼的右侧外楔形透镜和靠近人眼的右侧内楔形透镜，右侧外楔形透镜和右侧内楔形透镜覆盖置于入瞳区域右侧的出瞳区域，通过本发明可以将双向波导模型垂直出射的出射光束纠正为偏转光束，以使图像源在目标位置上重合形成物像，并且对外部光线经过述左侧内楔形透镜和右侧内楔形透镜所产生的光线偏转进行补偿，保证外部环境也能正确成像。

Description

一种双目AR目镜视觉纠正系统

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种双目AR目镜视觉纠正系统。

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。

区别于VR的应用中对外部环境的阻断，AR的应用则具有一定透过率，使佩戴者在看到图像画面的同时，可以看到外界的环境。其中，对于AR中的光学传输系统，业界有很多种方案，例如，自由空间光学，自由曲面光学，及显示光波导等，但其基本原理为双目成像，在制作的过程中，需要使图像源基于双目合成物像，因此，当图像源从入瞳区域垂直输入，并从出瞳区域垂直出射后，出射光束需以一定倾角进入人眼。

而目前，以传统的双侧微投影AR设备为例，在组装时需要调试其入射光束的倾角，以使两侧的图像能最终在双目下合成单幅图像，同时，通常还需要额外的像差纠正手段，外部环境也能正确成像，显然，该类型的光学传输系统构建过程步骤繁琐，容错率低，并不利于批量生产。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种双目AR目镜视觉纠正系统，以解决现有技术中构建AR中的光学传输系统时，步骤繁琐、容错率低、不利于批量生产的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种双目AR目镜视觉纠正系统，其特征在于，应用于双向波导模型，所述双向波导模型的光波导片包括置于中间的入瞳区域，置于所述入瞳区域左右两侧的扩瞳区域，以及与所述扩瞳区域相邻的出瞳区域，图像源从所述入瞳区域垂直输入，并从所述出瞳区域垂直出射；

所述视觉纠正系统包括第一楔形透镜组和第二楔形透镜组；

所述第一楔形透镜组包括远离人眼的左侧外楔形透镜和靠近人眼左侧内楔形透镜，所述左侧外楔形透镜和所述左侧内楔形透镜覆盖置于所述入瞳区域左侧的出瞳区域，且所述左侧外楔形透镜和所述左侧内楔形透镜之间包括所述光波导片，所述左侧外楔形透镜和所述左侧内楔形透镜在所述光波导片上的投影中心重合；

所述第二楔形透镜组包括远离人眼的右侧外楔形透镜和靠近人眼的右侧内楔形透镜，所述右侧外楔形透镜和所述右侧内楔形透镜覆盖置于所述入瞳区域右侧的出瞳区域，且所述右侧外楔形透镜和所述右侧内楔形透镜之间包括所述光波导片，所述右侧外楔形透镜和所述右侧内楔形透镜在所述光波导片上的投影中心重合；

所述左侧内楔形透镜和所述右侧内楔形透镜将所述双向波导模型垂直出射的出射光束纠正为偏转光束，以使所述图像源在目标位置上重合形成物像，所述左侧外楔形透镜和所述右侧外楔形透镜对外部光线经过述左侧内楔形透镜和所述右侧内楔形透镜所产生的光线偏转进行补偿。

可选地，所述左侧外楔形透镜、所述左侧内楔形透镜、所述右侧外楔形透镜、所述右侧内楔形透镜的楔角相同。

可选地，所述左侧外楔形透镜、所述左侧内楔形透镜、所述右侧外楔形透镜、所述右侧内楔形透镜均包括远角端和近角端；

所述第一楔形透镜组中，所述左侧外楔形透镜的远角端与所述左侧内楔形透镜的近角端位置相对，所述左侧外楔形透镜的近角端与所述左侧内楔形透镜的远角端位置相对；

所述第二楔形透镜组中，所述右侧外楔形透镜的远角端与所述右侧内楔形透镜的近角端位置相对，所述右侧外楔形透镜的近角端与所述右侧内楔形透镜的远角端位置相对。

可选地，所述左侧外楔形透镜的远角端和所述右侧外楔形透镜的远角端靠近所述入瞳区域；

所述左侧内楔形透镜的远角端和所述右侧内楔形透镜的远角端远离所述入瞳区域。

可选地，所述左侧内楔形透镜和所述右侧内楔形透镜的覆盖范围至少包括所述出瞳区域，至多包括所述入瞳区域外的所有区域。

可选地，所述左侧外楔形透镜的覆盖范围大于或者等于所述左侧内楔形透镜的覆盖范围；

所述右侧外楔形透镜的覆盖范围大于或者等于所述右侧内楔形透镜的覆盖范围。

可选地，所述左侧内楔形透镜和所述右侧内楔形透镜将所述双向波导模型垂直出射的出射光束纠正为偏转光束，以使所述图像源在目标位置上重合形成物像，包括：

根据人眼瞳孔距离及弧长公式计算所述左侧内楔形透镜和所述右侧内楔形透镜对所述出射光束的偏转角度；

根据所述偏转角度获取所述左侧外楔形透镜、所述左侧内楔形透镜、所述右侧外楔形透镜、所述右侧内楔形透镜的楔角，公式为：

其中，α为偏转角度，θ为楔角，n₁为楔形透镜材料的折射率，n₂为楔形透镜在空气中的折射率。

本发明实施例提出一种双目AR目镜视觉纠正系统，采用双向波导模型，同时利用楔形透镜对光线偏转的特性来改变图像源的成像距离，并用反置的楔形透镜来补偿第一块楔形透镜对外部环境的影响，基于楔形透镜的特性，这种补偿方式不会引入像差，干扰成像，同时，该补偿方式适用于双目成像，对于头戴式AR设备有更高的使用价值。综上，使用本发明实施例提出的视觉纠正系统时，仅需保证图像源能垂直入射波导片，让光束能垂直于出瞳区出射，即可使两侧的图像能最终在双目下合成单幅图像，因此，相比于不断调试其入射光束的倾角并结合其它相差纠正手段，其制作步骤简单，成本低廉。

附图说明

图1为本发明实施例提供的双目AR目镜视觉纠正系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的双目AR目镜视觉纠正系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的双目AR目镜视觉纠正系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的出射光束偏转纠正示意图；

图5为本发明实施例提供的出射光束偏转纠正示意图；

图6为本发明实施例提供的外部光线的偏转纠正示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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发明，并不用于限定本发明。

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。

在本文中，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发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，"模块"与"部件"可以混合地使用。

如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供一种双目AR目镜视觉纠正系统100，应用于双向波导模型200，在本发明实施例中，双目AR目镜视觉纠正系统100和双向波导模型200构成双目AR目镜中的光学传输系统。

图1、图2和图3中，双向波导模型200的光波导片包括置于中间的入瞳区域201，置于入瞳区域201左侧的扩瞳区域2021，置于入瞳区域201右侧的扩瞳区域2022，以及与扩瞳区域2021相邻的出瞳区域2031，与扩瞳区域2022相邻的出瞳区域2032。其中，图像源从入瞳区域201垂直输入，从出瞳区域2031和出瞳区域2032垂直出射。

需要说明的是，在本发明实施例提供的双向波导模型200中，入瞳区域201的光栅结构是垂直方向，扩瞳区域2021和扩瞳区域2022的光栅结构是对称的45度角方向，出瞳区域2031和出瞳区域2032的光栅结构是水平方向，因此，图1、图2和图3中，扩瞳区域2021和扩瞳区域2022使用了不同的填充图案表示其光栅结构的不同。

在实际应用中，双向波导模型200包括单投影仪双向波导模型和双投影仪双向波导模型，因此，可以理解的是，本发明实施例提供的双目AR目镜视觉纠正系统100适用于上述的两种模型中。

图1、图2和图3中，双目AR目镜视觉纠正系统100包括第一楔形透镜组101和第二楔形透镜组102；其中，第一楔形透镜组101包括远离人眼的左侧外楔形透镜1011和靠近人眼左侧内楔形透镜1012，左侧外楔形透镜1011和左侧内楔形透镜1012覆盖置于入瞳区域201左侧的出瞳区域2031，且左侧外楔形透镜1011和左侧内楔形透镜1012之间包括双向波导模型200的光波导片，左侧外楔形透镜1011和左侧内楔形透镜1012在双向波导模型200的光波导片上的投影中心重合。

第二楔形透镜组102包括远离人眼的右侧外楔形透镜1021和靠近人眼的右侧内楔形透镜1022，右侧外楔形透镜1021和右侧内楔形透镜1022覆盖置于入瞳区域201右侧的出瞳区域2032，且右侧外楔形透镜1021和右侧内楔形透镜1022之间包括双向波导模型200的光波导片，右侧外楔形透镜1021和右侧内楔形透镜1022在双向波导模型200的光波导片的投影中心重合。

可以理解的是，第一楔形透镜组101加上第二楔形透镜组102中的四块楔形透镜的制作材料均一致。

此外，需要说明的是，图2所示的人眼视场为双眼视场，在本发明实施例中，用户使用双目AR目镜时，其双眼视场与双向波导模型200中的出瞳区域2031及出瞳区域2032相对。

在本发明实施例中，左侧内楔形透镜1012和右侧内楔形透镜1022，用于将双向波导模型垂直出射的出射光束纠正为偏转光束，以使图像源在目标位置上重合形成物像，左侧外楔形透镜1011和右侧外楔形透镜1021，用于对外部光线经过述左侧内楔形透镜1012和右侧内楔形透镜1022所产生的光线偏转进行补偿。

请参阅图1、图2和图3，其示出的左侧外楔形透镜1011、左侧内楔形透镜1012、右侧外楔形透镜1021、右侧内楔形透镜1022的楔角相同。

请参阅图1、图2和图3，其示出的左侧外楔形透镜1011、左侧内楔形透镜1012、右侧外楔形透镜1021、右侧内楔形透镜1022均包括远角端和近角端，第一楔形透镜组101中，左侧外楔形透镜1011的远角端10111与左侧内楔形透镜1012的近角端10122位置相对，左侧外楔形透镜1011的近角端10112与左侧内楔形透镜1012的远角端10121位置相对；第二楔形透镜组102中，右侧外楔形透镜1021的远角端10211与右侧内楔形透镜1022的近角端10222位置相对，右侧外楔形透镜1021的近角端10212与右侧内楔形透镜1022的远角端10221位置相对。其中，需要说明的是，楔形透镜的远角端厚度大于楔形透镜的近角端。

请参阅图1、图2和图3，其示出的左侧外楔形透镜1011的远角端10111和右侧外楔形透镜1021的远角端10211靠近入瞳区域201，左侧内楔形透镜1012的远角端10121和右侧内楔形透镜1022的远角端10221远离入瞳区域201。

由于本发明实施例中，双向波导模型包括单投影双向波导模型和双投影双向波导模型，因此，如图4和图5所示，本发明实施例分别示出了以单投影双向波导模型和双投影双向波导模型为应用场景的出射光束偏转纠正过程。

首先，在具体应用中，基于人眼视角的原理，当双眼注视一个物体时，物体会与两个瞳孔形成一夹角，如此才能看清物体。而只有当人眼注视无穷远处时，两眼的视线才会接近平行，因此，从左右两侧的出瞳区域出射的两光束若是平行出射，则无法看清物体，并且产生重影。

因此，参见图4及图5，本发明实施例中，在双向波导模型的两个出瞳区域各增添了一块楔形透镜，即左侧内楔形透镜和右侧内楔形透镜，对平行光束引入一偏转角度，使视线能在某一特定距离下相交，从而使左右眼看到的图像完全重叠。其中，图5所示为双投影双向波导模型的应用场景，图像源从双投影仪两侧位置的入瞳区域垂直输入，但图5中仅示出了双向波导模型200及双目AR目镜视觉纠正系统100的右半部分结构进行说明，图5中，A点表示图像源的入射位置，因此，在未示出的左半部分结构中，也有与A点对称的图像源入射位置。图4所示为单投影双向波导模型的应用场景，图像源从单投影仪中间位置的入瞳区域垂直输入，但图4中也仅示出了双向波导模型200及双目AR目镜视觉纠正系统100的右半部分结构进行说明，图4中，B点表示图像源的入射位置。

图4和图5中，用较粗的实线带箭头的线段表示图像源，用实线带箭头的线段表示图像源在双目AR目镜视觉纠正系统100作用下的出射光束，用线虚线表示图像源在双目AR目镜视觉纠正系统100作用下的出射光束的反向延长线，用点虚线带箭头的线段表示图像源未在双目AR目镜视觉纠正系统100作用下的出射光束，可见，通过双目AR目镜视觉纠正系统100，图像源作用在双投影双向波导模型或单投影双向波导模型后，其出射光束具有偏转角度，不再为平行光束，其原理为：

基于图1、图2和图3示出的双目AR目镜视觉纠正系统100，本发明实施例中所限定的，左侧内楔形透镜和右侧内楔形透镜的楔角相同，以及左侧内楔形透镜的远角端和右侧内楔形透镜的远角端远离入瞳区域，会使得出射光束经过楔形棱镜时，朝着楔形透镜较厚的远角端偏转，以形成夹角，详细地说，对于右眼，要使出射光束朝右侧偏转，因此，本实施例中把远角端放在右侧，即远离入瞳区域的位置；同理，对于左眼，要使出射光束朝左侧偏转，左侧内楔形透镜和右侧内楔形透镜呈对称放置，从而使两束光在双眼正前方某一距离上相交，在视网膜上获取清晰的图像。

此外，楔形透镜在纠正出射光束角度的同时，也会偏转外部环境的光线，影响人眼对外部环境的观察，因此，本发明实施例还通过左侧外楔形透镜和右侧外楔形透镜抵消单片楔形透镜对外部光线的影响。

如图6所示，本发明实施例还示出了上述的外部光线的偏转纠正过程，图6中，以点线虚线带箭头的线段表示外部光线。

基于图1、图2和图3示出的双目AR目镜视觉纠正系统100，左侧外楔形透镜和左侧内楔形透镜的楔角相同、右侧外楔形透镜和右侧内楔形透镜的楔角相同，以及，右侧外楔形透镜的远角端与右侧内楔形透镜的近角端位置相对，右侧外楔形透镜的近角端与右侧内楔形透镜的远角端位置相对，将第一楔形透镜组和第二楔形透镜组构成反置的两组楔形透镜，从而补偿内楔形透镜对外部光线的偏转。详细地说，外部光线在经过右侧外楔形透镜时，会先朝左侧偏转，以一定角度穿过光波导片，即双向波导模型的光波导片，而由于光波导片的两面相互平行，会对偏转后的外部光线产生一定的位移，但不会引入新的角度，穿过光波导片后，外部光线抵达右侧内楔形透镜，此时，朝左侧偏转的外部光线在右侧内楔形透镜的作用下会朝右偏转，且该偏转角与右侧外楔形透镜一致，最终，外部光线会重新以垂直于光波导片的方向进入人眼。

在实际应用中，第一楔形透镜组101和第二楔形透镜组102均作用于出射光束的，因此，第一楔形透镜组101和第二楔形透镜组102的覆盖范围至少包括出瞳区域，即图1所示的出瞳区域2031和出瞳区域2032，至多包括入瞳区域201外的所有区域，即出瞳区域2031、出瞳区域2032、扩瞳区域2021和扩瞳区域2022，从而保证第一楔形透镜组101和第二楔形透镜组102覆盖的区域面积能完全包裹住人眼的视场角，即包括眼球转动的视场角之和，避免引起观看不适。且对于远离人眼的左侧外楔形透镜1011，还需覆盖左侧内楔形透镜1012，对于远离人眼的右侧外楔形透镜1021，还需覆盖右侧内楔形透镜1022，考虑到波导片对外部光线会有少许的位置偏移，因此，在一个实施例中，所述左侧外楔形透镜1011的覆盖范围大于或者等于所述左侧内楔形透镜1012的覆盖范围；所述右侧外楔形透镜1021的覆盖范围大于或者等于所述右侧内楔形透镜1022的覆盖范围，进一步保证AR目镜能够将人眼的视场角包裹住。

可以理解的是，上述图5所示的双目AR目镜视觉纠正系统100，由于为双投影双向波导模型的应用场景，图像源从双投影仪两侧位置的入瞳区域垂直输入，因此，其右侧外楔形透镜1021的覆盖范围大于所述右侧内楔形透镜1022的覆盖范围，以使图像源从A处垂直输入。

在本发明实施例中，还示出了左侧外楔形透镜1011、左侧内楔形透镜1012、右侧外楔形透镜1021、右侧内楔形透镜1022的楔角的计算方式，以说明图像源在目标位置上重合形成物像的实现，其包括如下步骤：

S101、根据人眼瞳孔距离及弧长公式计算所述左侧内楔形透镜和所述右侧内楔形透镜对所述出射光束的偏转角度，

S102、根据所述偏转角度获取所述左侧外楔形透镜、所述左侧内楔形透镜、所述右侧外楔形透镜、所述右侧内楔形透镜的楔角，公式为：

其中，α为偏转角度，θ为楔角，n₁为楔形透镜材料的折射率，n₂为楔形透镜在空气中的折射率。

在实际应用中，假设人眼瞳孔距离63mm，并假设目标位置即成像位置在0.2～10m内，则根据弧长公式l＝πr(l为弧长，r为目视物体到人眼的距离)，可以计算出楔形透镜对出射光束的偏转角度约为8.95°～0.18°，其对应的楔形透镜的楔角为17.31°～0.34°(BK7玻璃折射率为1.5168)。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双目AR目镜视觉纠正系统，其特征在于，应用于双向波导模型，所述双向波导模型的光波导片包括置于中间的入瞳区域，置于所述入瞳区域左右两侧的扩瞳区域，以及与所述扩瞳区域相邻的出瞳区域，图像源从所述入瞳区域垂直输入，并从所述出瞳区域垂直出射；

所述视觉纠正系统包括第一楔形透镜组和第二楔形透镜组；

所述第一楔形透镜组包括远离人眼的左侧外楔形透镜和靠近人眼左侧内楔形透镜，所述左侧外楔形透镜和所述左侧内楔形透镜覆盖置于所述入瞳区域左侧的出瞳区域，且所述左侧外楔形透镜和所述左侧内楔形透镜之间包括所述光波导片，所述左侧外楔形透镜和所述左侧内楔形透镜在所述光波导片上的投影中心重合；

所述第二楔形透镜组包括远离人眼的右侧外楔形透镜和靠近人眼的右侧内楔形透镜，所述右侧外楔形透镜和所述右侧内楔形透镜覆盖置于所述入瞳区域右侧的出瞳区域，且所述右侧外楔形透镜和所述右侧内楔形透镜之间包括所述光波导片，所述右侧外楔形透镜和所述右侧内楔形透镜在所述光波导片上的投影中心重合；

所述左侧内楔形透镜和所述右侧内楔形透镜将所述双向波导模型垂直出射的出射光束纠正为偏转光束，以使所述图像源在目标位置上重合形成物像，所述左侧外楔形透镜和所述右侧外楔形透镜对外部光线经过述左侧内楔形透镜和所述右侧内楔形透镜所产生的光线偏转进行补偿。

2.如权利要求1所述的视觉纠正系统，其特征在于，所述左侧外楔形透镜、所述左侧内楔形透镜、所述右侧外楔形透镜、所述右侧内楔形透镜的楔角相同。

3.如权利要求2所述的视觉纠正系统，其特征在于，所述左侧外楔形透镜、所述左侧内楔形透镜、所述右侧外楔形透镜、所述右侧内楔形透镜均包括远角端和近角端；

所述第一楔形透镜组中，所述左侧外楔形透镜的远角端与所述左侧内楔形透镜的近角端位置相对，所述左侧外楔形透镜的近角端与所述左侧内楔形透镜的远角端位置相对；

所述第二楔形透镜组中，所述右侧外楔形透镜的远角端与所述右侧内楔形透镜的近角端位置相对，所述右侧外楔形透镜的近角端与所述右侧内楔形透镜的远角端位置相对。

4.如权利要求3所述的视觉纠正系统，其特征在于，所述左侧外楔形透镜的远角端和所述右侧外楔形透镜的远角端靠近所述入瞳区域；

所述左侧内楔形透镜的远角端和所述右侧内楔形透镜的远角端远离所述入瞳区域。

5.如权利要求1所述的视觉纠正系统，其特征在于，所述左侧内楔形透镜和所述右侧内楔形透镜的覆盖范围至少包括所述出瞳区域，至多包括所述入瞳区域外的所有区域。

6.如权利要求5所述的视觉纠正系统，其特征在于，所述左侧外楔形透镜的覆盖范围大于或者等于所述左侧内楔形透镜的覆盖范围；

所述右侧外楔形透镜的覆盖范围大于或者等于所述右侧内楔形透镜的覆盖范围。

7.如权利要求1所述的视觉纠正系统，其特征在于，所述左侧内楔形透镜和所述右侧内楔形透镜将所述双向波导模型垂直出射的出射光束纠正为偏转光束，以使所述图像源在目标位置上重合形成物像，包括：

根据人眼瞳孔距离及弧长公式计算所述左侧内楔形透镜和所述右侧内楔形透镜对所述出射光束的偏转角度；

根据所述偏转角度获取所述左侧外楔形透镜、所述左侧内楔形透镜、所述右侧外楔形透镜、所述右侧内楔形透镜的楔角，公式为：

其中，α为偏转角度，θ为楔角，n₁为楔形透镜材料的折射率，n₂为楔形透镜在空气中的折射率。

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