CN113219672A - 一种ar眼镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种AR眼镜,利用了多光源分瞳技术,在光源位置设置两个光源,光机是由两组透镜组成的无焦系统,两个光源可把各自的图像分别进入第一耦入光栅和第二耦入光栅,且不产生交叠,两个光源交替出光,同时液晶面板配合两个光源的交替不停地切换图像,让每个光源都对应上各自携带的左右眼视差图像,最终第一光源把左眼视差图像投影到第一耦入光栅并传播到左侧的第一耦出光栅进入人左眼,第二光源把右眼视差图像投影到第二耦入光栅并传播到右侧的第二耦出光栅进入人右眼,两种视差图像的交替出现形成3D效果。

Description

一种AR眼镜
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域,特别涉及一种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。
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AR眼镜,旨在解决使用双投影仪的AR眼镜组装步骤复杂,且校准不便的技术问题。
本发明的技术方案如下:
一种AR眼镜,包括光机部分和眼镜部分,所述眼镜部分包括波导镜片、第一耦入光栅、第一转向光栅、第一耦出光栅、阻隔片、第二耦入光栅、第二转向光栅和第二耦出光栅;所述第一耦入光栅和所述第二耦入光栅设置在所述波导镜片的鼻顶区内并且通过所述阻隔片相互隔开;
所述第一转向光栅和所述第一耦出光栅设置在所述波导镜片的左眼区内,所述第一耦入光栅、所述第一转向光栅和所述第一耦出光栅之间形成第一图像光路;所述第二转向光栅和所述第二耦出光栅设置在所述波导镜片的右眼区内,所述第二耦入光栅、所述第二转向光栅和所述第二耦出光栅之间形成第二图像光路;
所述光机部分包括第一光源、第二光源、液晶面板、分束镜、第一透镜组、第二透镜组和棱镜;
所述第一透镜组和所述第二透镜组设置在所述分束镜相邻的两个侧面上,所述液晶面板设置在与所述第二透镜组相对的所述分束镜的另一侧面上;
按照光线的传播顺序划分前后,所述第一透镜组的后焦平面和所述第二透镜组的前焦平面经过所述分束镜后重合于所述液晶面板处,所述第一光源和所述第二光源设置于所述第一透镜组的前焦平面位置;
所述棱镜的入光面紧贴所述第二透镜组的出光面设置,所述棱镜的出光面覆盖所述第一耦入光栅、所述阻隔片和所述第二耦入光栅,所述第二透镜组的后焦平面经过所述棱镜后位于所述第一耦入光栅和所述第二耦入光栅所在的平面。
在本发明一种可选的实施方式中,所述第一光源和所述第二光源之间,以及所述第一耦入光栅和所述第二耦入光栅之间均呈左右设置。
在本发明一种可选的实施方式中,所述第一光源和所述第二光源之间,以及所述第一耦入光栅和所述第二耦入光栅之间均呈上下设置。
在本发明一种可选的实施方式中,所述棱镜为等腰直角三角棱镜。
在本发明一种可选的实施方式中,所述分束镜为偏振分束镜。
在本发明一种可选的实施方式中,所述第一耦入光栅、所述第一转向光栅、所述第一耦出光栅、所述第二耦入光栅、所述第二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。
在本发明一种可选的实施方式中,所述液晶面板为硅基液晶面板。
在本发明一种可选的实施方式中,所述第一光源和所述第二光源为激光光源或LED光源。
有益效果为:本发明提供了一种AR眼镜,利用了多光源分瞳技术,在光源位置设置两个投影光源,光机是由两组透镜组成无焦系统,两个光源可把各自的图像分别进入第一耦入光栅和第二耦入光栅,且不产生交叠。两个光源交替出光,同时液晶面板配合两个光源的交替不停地切换图像,让每个光源都对应上各自携带的左右眼视差图像。最终第一光源把左眼视差图像投影到第一耦入光栅并传播到左侧的第一耦出光栅进入人左眼,第二光源把右眼视差图像投影到第二耦入光栅并传播到右侧的第二耦出光栅进入人右眼,最终两种视差图像的交替出现形成3D效果。
附图说明
图1为本发明一种AR眼镜的结构示意图。
图2为本发明AR眼镜的一种眼镜部分的结构示意图。
图3为本发明AR眼镜的一种光机部分的结构示意图。
图4为本发明AR眼镜光机部分的技术原理示意图。
图5为本发明AR眼镜的另一种眼镜部分的结构示意图。
图6为本发明AR眼镜的另一种光机部分的结构示意图。
图7为本发明AR眼镜的一种光机部分的光路示意图。
图8为本发明AR眼镜的另一种光机部分的光路示意图。
附图标号如下:
160-光机部分;170-镜片部分;10-波导镜片;20-第一耦入光栅;30-第一转向光栅;40-第一耦出光栅;50-阻隔片;60-第二耦入光栅;70-第二转向光栅;80-第二耦出光栅;90-第一光源;100-第二光源;110-液晶面板;120-分束镜;130-第一透镜组;140-第二透镜组;150-棱镜;180-第一液晶开关;190-第二液晶开关。
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。
参见图1,本发明提供了一种AR眼镜,包括光机部分160和眼镜部分170,参见图2,所述眼镜部分170包括波导镜片10、第一耦入光栅20、第一转向光栅30、第一耦出光栅40、阻隔片50、第二耦入光栅60、第二转向光栅70和第二耦出光栅80;所述第一耦入光栅20和所述第二耦入光栅60设置在所述波导镜片10的鼻顶区内并且通过所述阻隔片50相互隔开;所述第一转向光栅30和所述第一耦出光栅40设置在所述波导镜片10的左眼区内,所述第一耦入光栅20、所述第一转向光栅30和所述第一耦出光栅40之间形成第一图像光路;所述第二转向光栅70和所述第二耦出光栅80设置在所述波导镜片10的右眼区内,所述第二耦入光栅60、所述第二转向光栅70和所述第二耦出光栅80之间形成第二图像光路;
参见图3,所述光机部分160包括第一光源90、第二光源100、液晶面板110、分束镜120、第一透镜组130、第二透镜组140和棱镜150;所述第一透镜组130和所述第二透镜组140设置在所述分束镜120相邻的两个侧面上,所述液晶面板110设置在与所述第二透镜组140相对的所述分束镜120的另一侧面上;
按照光线的传播顺序划分前后,所述第一透镜组130的后焦平面和所述第二透镜组140的前焦平面经过所述分束镜120后重合于所述液晶面板110处,所述第一光源90和所述第二光源100设置于所述第一透镜组130的前焦平面位置;
参见图1,所述棱镜150的入光面紧贴所述第二棱镜140组的出光面设置,所述棱镜150的出光面覆盖所述第一耦入光栅20、所述阻隔片50和所述第二耦入光栅60,所述第二透镜组140的后焦平面经过所述棱镜150后位于所述第一耦入光栅20和所述第二耦入光栅60所在的平面。
参见图4,本发明光机部分的第一透镜组130的后焦平面和第二透镜组140的前焦平面重合,构成无焦系统,其中光源面位于第一透镜组130的前焦平面,液晶面板110位于第一透镜组130的后焦平面和第二棱镜140组前焦平面的重合处,光机出瞳面(棱镜150与第一耦入光栅20和第二耦入光栅60接触的面)位于第二透镜组140的后焦平面。在该系统中,由于光源和液晶面板110分别在第一透镜组130的前后焦平面处,液晶面板110上的每一个像素都能得到均匀的照明,同时,液晶面板110也位于第二透镜组140的前焦平面处,第二透镜组140能对液晶面板110上的每一个像素准直出光,且在出瞳面处形成一束腰,该位置上光斑能量密度最大,面积最小,且每一点均包含了投影图像的全部信息,因此只要有光线穿过,无论如何遮挡都能投影出完整的图像信息,对出瞳的遮挡只会降低图像亮度,而不会遮挡图像信息。
在上述无焦系统的基础上,本发明可以在第一透镜组130的前焦平面设置多个(比如2个)不重叠的光源,根据无焦系统的对称性,每个光源均在光机的出瞳面(即第二透镜组140的后焦平面处)对称成像,对称中心为第一透镜组130的后焦点,物像间的中心间隔与光源发光面的中心间隔成比例关系,放大倍数取决于第二透镜组140的焦距,即
Figure BDA0003115380210000051
其中β为垂轴放大率,f2为第二透镜组140等效焦距,f1为第一透镜组140等效焦距。同样,出瞳面上所成物像也是投影光束的束腰,且每个像点都携带了液晶面板110图像的完整信息。当然,本发明也可以选择在第一透镜组130的前焦平面设置1个光源并配合在棱镜150的出光面上设置液晶开关来实现分别把每个物像耦合到不同的第一耦入光栅20和第二耦入光栅60中。
本发明利用双投影光源对两个第一耦入光栅20和第二耦入光栅60耦合光束,两个投影光源交替点亮,液晶面板110根据点亮的光源交替切换含不同方向视差的图像,并通过第一耦入光栅20和第二耦入光栅60把图像交替传播到左右眼,最终产生3D效果。参见图2和参见图3,在本发明一种可选的实施方式中,所述第一光源90和所述第二光源100之间,以及所述第一耦入光栅20和所述第二耦入光栅60之间均呈左右设置。
参见图5和图6,在本发明一种可选的实施方式中,所述第一光源90和所述第二光源100之间,以及所述第一耦入光栅20和所述第二耦入光栅60之间均呈上下设置。
参见图1,在本发明一种可选的实施方式中,所述棱镜150为等腰直角三角棱镜。
在本发明一种可选的实施方式中,所述分束镜120为偏振分束镜。
在本发明一种可选的实施方式中,所述第一耦入光栅20、所述第一转向光栅30、所述第一耦出光栅40、所述第二耦入光栅60、所述第二转向光栅70和所述第二耦出光栅80均为表面浮雕光栅或体全息光栅。
在本发明一种可选的实施方式中,所述液晶面板110为硅基液晶面板。
在本发明一种可选的实施方式中,所述第一光源90和所述第二光源100为激光光源或LED光源。
实施例1
本发明AR眼镜的波导镜片10采用双入瞳通道,但由于使用单投影光机,双入瞳通道(即第一耦入光栅20和第二耦入光栅60)需要紧挨着设置在波导镜片10几何中心。第一耦入光栅20和第二耦入光栅60之间有一块阻隔片50(可由黑色薄膜组成),用以吸收入瞳光朝反方向衍射的光,防止串扰。第一耦入光栅20和第二耦入光栅60可以左右对称分布,也可上下对称分布,第一转向光栅30和第二转向光栅70则根据第一耦入光栅20和第二耦入光栅60位置的变化进行移动,确保入瞳光能正确地传播到扩瞳位置。投影光机采用无焦系统,第一透镜组130的后焦平面与第二透镜组140的前焦平面重合,光源面在第一透镜组130的前焦平面,液晶面板110位于第一透镜组130后焦平面和第二透镜组140前焦平面的重合处,出瞳面在第二透镜组140的后焦平面。
参见图7,在AR眼镜的结构中,采用双转角设计,具体光路如下:在第一透镜组130的前焦平面,设置第一光源90和第二光源100,两光源分别设置在第一透镜组130光轴两侧,照明光束透过第一透镜组130后进入分束镜120,让s波反射到液晶面板110,携带图像信息后往第二透镜组140方向传播,且投影光束在出瞳面(即第二透镜组140后焦平面)处,由于液晶面板110位于第二透镜组140的前焦平面,第二透镜组140对液晶面板110上所有像素准直成像,所有像素的像都集中在束腰位置,因此出瞳面光斑的每个点都包含图像的完整信息。光束透过第二透镜组140后进入棱镜150,该棱镜150为等腰直角三角棱镜,仅偏转光路,不会对光束产生其他影响,经反射后,第一光源90的像会耦合进第一耦入光栅20,第二光源100的像会耦合进第二耦入光栅60。当仅有第一光源90点亮时,AR眼镜只有第一耦出光栅40能出现图像;当仅有第二光源100点亮时,AR眼镜只有第二耦出光栅80能出现图像。当液晶面板110配合第一光源90点亮时载入含左眼视差的图像,配合第二光源100点亮时载入含右眼视差的图像,便可实现单光机控制两种视差图像,从而产生3D效果。
实施例2
本发明AR眼镜的波导镜片采用双入瞳通道,但由于使用单投影光机,双入瞳通道(即第一耦入光栅20和第二耦入光栅60)需要紧挨着设置在波导镜片几何中心。第一耦入光栅20和第二耦入光栅60之间有一块阻隔片50(可由黑色薄膜组成),用以吸收入瞳光朝反方向衍射的光,防止串扰。第一耦入光栅20和第二耦入光栅60可以左右对称分布,也可上下对称分布,第一转向光栅30和第二转向光栅70则根据第一耦入光栅20和第二耦入光栅60位置的变化进行移动,确保入瞳光能正确地传播到扩瞳位置。
投影光机采用无焦系统,第一透镜组130的后焦平面与第二透镜组140的前焦平面重合,光源面在第一透镜组130的前焦平面,液晶面板110位于第一透镜组130后焦平面和第二透镜组140前焦平面的重合处,出瞳面在第二透镜组140的后焦平面。
参见图8,在AR眼镜的结构中,采用双转角设计,具体光路如下:在第一透镜组130的前焦平面,设置单光源,光源位于第一透镜组130光轴上,照明光束透过第一透镜组130后进入分束镜,让s波反射到液晶面板110,携带图像信息后往第二透镜组140方向传播,且投影光束在出瞳面(即第二透镜组140后焦平面处),由于液晶面板110位于第二透镜组140的前焦平面,第二透镜组140对液晶面板110上所有像素准直成像,所有像素的像都集中在束腰位置,因此出瞳面光斑的每个点都包含图像的完整信息。光束透过第二透镜组140后进入棱镜,该棱镜150为等腰直角三角棱镜,仅偏转光路,不会对光束产生其他影响,经反射后,光源的像会成在液晶开关(包括第一液晶开关180和第二液晶开关190)上,第一侧液晶开关180打开,第二侧液晶190开关关闭,光束的一半耦合到第一耦入光栅20和第二耦入光栅60上并传播到出瞳,根据上述介绍,光束的一半一样保留了图像的完整信息;第一液晶开关180关闭,第二液晶开关190打开,光束的一半耦合到第一耦入光栅20和第二耦入光栅60上并传播到出瞳。当液晶面板110配合第一侧液晶开关180打开时载入含左眼视差的图像,配合第二侧液晶开关190打开时载入含右眼视差的图像,便可实现单光机控制两种视差图像,从而产生3D效果。
综上所述,本发明提供了一种AR眼镜,利用了多光源分瞳技术,在光源位置设置两个投影光源,光机是由两组透镜组成无焦系统,两个光源可把各自的图像分别进入第一耦入光栅和第二耦入光栅,且不产生交叠。两个光源交替出光,同时液晶面板配合两个光源的交替不停地切换图像,让每个光源都对应上各自携带的左右眼视差图像。最终第一光源把左眼视差图像投影到第一耦入光栅并传播到左侧的第一耦出光栅进入人左眼,第二光源把右眼视差图像投影到第二耦入光栅并传播到右侧的第二耦出光栅进入人右眼,最终两种视差图像的交替出现形成3D效果。
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 (8)

1.一种AR眼镜,包括光机部分和眼镜部分,其特征在于,所述眼镜部分包括波导镜片、第一耦入光栅、第一转向光栅、第一耦出光栅、阻隔片、第二耦入光栅、第二转向光栅和第二耦出光栅;所述第一耦入光栅和所述第二耦入光栅设置在所述波导镜片的鼻顶区内并且通过所述阻隔片相互隔开;
所述第一转向光栅和所述第一耦出光栅设置在所述波导镜片的左眼区内,所述第一耦入光栅、所述第一转向光栅和所述第一耦出光栅之间形成第一图像光路;所述第二转向光栅和所述第二耦出光栅设置在所述波导镜片的右眼区内,所述第二耦入光栅、所述第二转向光栅和所述第二耦出光栅之间形成第二图像光路;
所述光机部分包括第一光源、第二光源、液晶面板、分束镜、第一透镜组、第二透镜组和棱镜;
所述第一透镜组和所述第二透镜组设置在所述分束镜相邻的两个侧面上,所述液晶面板设置在与所述第二透镜组相对的所述分束镜的另一侧面上;
按照光线的传播顺序划分前后,所述第一透镜组的后焦平面和所述第二透镜组的前焦平面经过所述分束镜后重合于所述液晶面板处,所述第一光源和所述第二光源设置于所述第一透镜组的前焦平面位置;
所述棱镜的入光面紧贴所述第二透镜组的出光面设置,所述棱镜的出光面覆盖所述第一耦入光栅、所述阻隔片和所述第二耦入光栅,所述第二透镜组的后焦平面经过所述棱镜后位于所述第一耦入光栅和所述第二耦入光栅所在的平面。
2.根据权利要求1所述的AR眼镜,其特征在于,所述第一光源和所述第二光源之间,以及所述第一耦入光栅和所述第一耦入光栅之间均呈左右设置。
3.根据权利要求1所述的AR眼镜,其特征在于,所述第一光源和所述第二光源之间,以及所述第一耦入光栅和所述第一耦入光栅之间均呈上下设置。
4.根据权利要求1所述的AR眼镜,其特征在于,所述棱镜为等腰直角三角棱镜。
5.根据权利要求1所述的AR眼镜,其特征在于,所述分束镜为偏振分束镜。
6.根据权利要求1所述的AR眼镜,其特征在于,所述第一耦入光栅、所述第一转向光栅、所述第一耦出光栅、所述第二耦入光栅、所述第二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AR眼镜,其特征在于,所述液晶面板为硅基液晶面板。
8.根据权利要求1所述的AR眼镜,其特征在于,所述第一光源和所述第二光源为激光光源或LED光源。
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WO2023136863A1 (en) * 2022-01-11 2023-07-20 Google Llc Apparatuses and methods for directing light to multiple incoupler waveguides

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