CN113396356B

CN113396356B - 紧凑型增强现实用光学装置

Info

Publication number: CN113396356B
Application number: CN201980090938.8A
Authority: CN
Inventors: 河政勋
Original assignee: LetinAR Co Ltd
Current assignee: LetinAR Co Ltd
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2023-09-15
Anticipated expiration: 2039-10-23
Also published as: US12013556B2; US20210132270A1; KR102255781B1; CN113396356A; KR20200102904A

Abstract

本发明涉及一种紧凑型增强现实用光学装置，包括：光学机构，其使从实际事物射出的图像光的至少一部分朝向用户的眼睛的瞳孔透过，并使与从图像射出部射出的增强现实用图像相应的图像光在内面反射而传递至第一反射部；第一反射部，其配置于所述光学机构的内部，并使与在所述光学机构的内面反射而传递的增强现实用图像相应的图像光反射而传递至第二反射部；以及第二反射部，其配置于所述光学机构的内部，并使与从所述第一反射部传递的增强现实用图像相应的图像光朝向用户的眼睛的瞳孔反射而传递，由此为用户提供增强现实用图像，所述第二反射部的大小为8mm以下。

Description

紧凑型增强现实用光学装置

技术领域

本发明涉及一种增强现实用光学装置，更详细地，涉及一种因利用多个小型反射部来拓宽视角且不需要额外的光学机构而能够显著减小大小、厚度和体积的紧凑型增强现实用光学装置。

背景技术

如所周知，增强现实(Augmented Reality，AR)指在现实世界的真实影像上叠加由计算机等生成的虚拟的影像或图像来提供的技术。

为了实现这样的增强现实，需要能够将由诸如计算机的设备生成的虚拟的影像或图像叠加在现实世界的影像来提供的光学系统。作为这样的光学系统，使用诸如利用HMD(Head Mounted Display，头戴式显示器)或眼镜式装置来反射或折射虚拟影像的棱镜等的光学机构的技术为人所知。

然而，这样的利用以往的光学系统的装置所存在的问题是，由于其构造复杂且重量和体积相当大，用户佩戴起来不方便，并且制造工艺也较复杂，因而制造成本较高。

此外，以往的装置的局限性在于，在用户凝视现实世界时改变焦距的情况下，虚拟影像会失焦。为了解决该问题，已提出利用诸如能够调节对虚拟影像的焦距的棱镜的构件，或者根据焦距的变更对变焦透镜进行电控制等的技术。但是，这种技术也同样存在为了调节焦距需要由用户进行单独的操作或需要用于控制焦距的诸如单独的处理器等的硬件和软件的问题。

为了解决这样的现有技术的问题，如专利文献1中记载，本申请人曾开发一种能够通过利用尺寸小于人的瞳孔的反射部将虚拟影像通过瞳孔投影到网膜来实现增强现实的装置。

图1是示出如上述专利文献1中公开的增强现实用光学装置的图。

参照图1，图像出射部30是出射与增强现实用图像相应的图像光的机构，例如可以实现为小型显示装置。反射部20通过使与从图像射出部30射出的增强现实用图像相应的图像光朝向用户的瞳孔反射来提供增强现实用图像。

光学机构10是使从实际事物射出的图像光的至少一部分透过的机构，例如可以是眼镜镜片，其内部嵌入有反射部20。框架部40是固定和支撑图像射出部30和光学机构10的机构。

图1的反射部20形成为小于人的瞳孔大小的尺寸，即，8mm以下，通过如此将反射部20形成为小于瞳孔大小，可以使通过反射部20入射至瞳孔的光的景深(Depth of Field)接近无限远，即，可以使景深非常深。这里，景深指被识别为对焦的范围，当景深变深时，意味着对增强现实用图像的焦距也变深，因此，即使用户在凝视实际世界时改变实际世界的焦距，增强现实用图像的焦点也会与此无关地始终被识别为对焦。这可以看作是针孔效应(pin hole effect)。因此，与用户在凝视存在于实际世界的实际事物时改变焦距无关地，对于增强现实用图像，始终可以提供清晰的虚拟影像。

然而，这种技术虽然可以加深景深，获得针孔效应，但存在视野较窄的问题，且需要诸如用于平行光的准直器等的额外的光学机构，因而存在装置的大小、厚度和体积变大的局限性。

专利文献

韩国授权专利公报第10-1660519号(2016.09.29公告)

发明内容

技术问题

本发明旨在解决如上所述的局限性，其目的在于，提供一种因利用多个小型反射部来拓宽视角且不需要额外的光学机构而能够显著减小大小、厚度和体积的紧凑型增强现实用光学装置。

此外，本发明的另一个目的在于，提供一种能够通过使鬼像最少化并减少泄漏至外部的外部泄漏光来提供更清晰的虚拟图像的紧凑型增强现实用光学装置。

此外，本发明的又一个目的在于，提供一种能够通过显著减小大小、厚度和体积使得人们可以无不适感地佩戴的眼镜形式的增强现实提供装置。

技术方案

为了解决如上所述的课题，本发明提供一种紧凑型增强现实用光学装置，包括：光学机构，其使从实际事物射出的图像光的至少一部分朝向用户的眼睛的瞳孔透过，并使与从图像射出部射出的增强现实用图像相应的图像光在内面反射而传递至第一反射部；第一反射部，其配置于所述光学机构的内部，并使与在所述光学机构的内面反射而传递的增强现实用图像相应的图像光反射而传递至第二反射部；以及第二反射部，其配置于所述光学机构的内部，并使与从所述第一反射部传递的增强现实用图像相应的图像光朝向用户的眼睛的瞳孔反射而传递，由此为用户提供增强现实用图像，所述第二反射部的大小为8mm以下。

其中，所述光学机构可以构成为具有从实际事物出射的图像光入射的第一面和与通过所述第二反射部传递的增强现实用图像相应的图像光射出的第二面，所述光学机构使与通过所述第一面从图像射出部射出的增强现实用图像相应的图像光反射而传递至第一反射部。

此外，所述图像射出部可以被配置为以使与增强现实用图像相应的图像光能够在光学机构的第一面反射而被传递至第一反射部的方式相对于第一面倾斜。

此外，所述第一反射部可以以朝向所述第二反射部反射与增强现实用图像相应的图像光的方式配置于所述第一面与第二面之间。

此外，所述第一反射部可以形成为曲面。

此外，优选所述第一反射部是凹镜。

此外，所述第一反射部的宽度方向的长度为8mm以下。

此外，所述第二反射部可以以能够使与从所述第一反射部传递的增强现实用图像相应的图像光朝向用户的眼睛的瞳孔反射而传递的方式被配置为相对于光学机构的表面具有倾斜角。

此外，可以形成有多个所述第二反射部，所述第二反射部分别被配置为防止与从所述第一反射部传递的增强现实用图像相应的图像光被其他第二反射部遮挡。

此外，优选多个所述第二反射部各个的大小为8mm以下。

此外，优选所述第二反射部中的至少一部分的表面形成为曲面。

此外，所述第二反射部中的至少一部分的倾斜角可以与其他第二反射部的倾斜角不同。

此外，所述光学机构可以是具有折射率的透镜。

根据本发明的另一方面，提供一种增强现实提供装置，其呈眼镜形式，包括：透镜部，其使从实际事物射出的图像光的至少一部分朝向用户的眼睛的瞳孔透过；以及框架部，其固定所述透镜部，所述透镜部是如上所述的紧凑型增强现实用光学装置。

此外，可以在所述透镜部的外侧或内侧中的至少某一侧配置具有用于视力矫正的折射率的透镜，或者，所述透镜部的全部或一部分形成为具有折射率的视力矫正透镜。

发明的效果

根据本发明，可以提供一种因利用多个小型反射部来拓宽视角且不需要额外的光学机构而能够显著减小大小、厚度和体积的紧凑型增强现实用光学装置。

此外，根据本发明，具有能够通过使鬼像最少化并减少泄漏至外部的外部泄漏光来提供更清晰的虚拟图像的效果。

此外，本发明具有可以提供能够通过显著减小大小、厚度和体积使得人们可以无不适感地佩戴的眼镜形式的增强现实提供装置的优点。

附图说明

图1是示出如专利文献1中公开的增强现实用光学装置的图。

图2是本发明的一实施例的增强现实用光学装置100的侧视图。

图3是本发明的一实施例的增强现实用光学装置100的正视图。

图4是本发明的一实施例的增强现实用光学装置100的立体图。

图5是用于说明作为第一反射部20的宽度为8mm以上的情况的发生鬼像的状态的图。

图6是示出作为第一反射部20的宽度为8mm以下的情况的不发生鬼像的状态的图。

图7和图8是示出利用图2至图6中说明的本发明的增强现实用光学装置100以眼镜形式实现增强现实提供装置200的示例的图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施例进行详细说明。

图2至图4是示出本发明的一实施例的紧凑型增强现实用光学装置100的整体构造的图，图2示出增强现实用光学装置100的侧视图，图3示出正视图，并且图4示出立体图。

参照图2至图4，本实施例的紧凑型增强现实用光学装置100包括光学机构10、第一反射部20以及第二反射部30。

光学机构10是使从实际事物射出的图像光的至少一部分朝向用户的眼睛的瞳孔透过，并使与从图像射出部40射出的增强现实用图像相应的图像光在内面反射而传递至第一反射部20的机构。

光学机构10具备从实际事物射出的图像光入射的第一面11、和与从透过至所述第一面11的实际事物射出的图像光和通过第二反射部30传递的增强现实用图像相应的图像光射出的第二面12。此外，光学机构10使与通过所述第一面11从图像射出部40射出的增强现实用图像相应的图像光反射而传递至第一反射部20，并使与由第一反射部20反射的增强现实用图像相应的图像光在第二反射部30反射而通过第二面12射出至用户的瞳孔50。

因此，图像射出部40以能够在光学机构10的第一面11反射与增强现实用图像相应的图像光而传递至第一反射部20的方式相对于第一面11倾斜地配置。

其中，图像射出部40是将与增强现实用图像相应的图像光朝向光学机构10射出的机构，例如可以是诸如小型的LCD的显示装置，或使从显示装置射出的图像光反射或折射并朝向光学机构10传递的反射机构或折射机构。

即，图像射出部40指诸如显示增强现实用图像的显示装置或将从这样的显示装置射出的图像光最终传递至光学机构10的反射或折射机构等的其他多种多样的机构，由于图像射出部40本身并非本发明的直接目的，并且已通过现有技术为人所知，因而这里省略对其的详细描述。

另一方面，增强现实用图像指显示于显示装置上并通过图像射出部40、光学机构10、第一反射部20以及第二反射部30传递至用户的瞳孔50的虚拟图像，可以是图像形式的静止影像或视频。

这样的增强现实用图像通过从显示装置以图像光射出并通过图像射出部40、光学机构10、第一反射部20以及第二反射部30传递至用户的瞳孔50来为用户提供虚拟图像，与此同时，用户通过利用光学机构10用眼睛直接凝视从存在于实际世界的实际事物射出的图像光来接收增强现实服务。

第一反射部20配置于所述光学机构10的内部，是使与在所述光学机构10的内面反射而传递的增强现实用图像相应的图像光反射而传递至第二反射部30的机构。

第一反射部20以使与增强现实用图像相应的图像光朝向第二反射部30反射的方式配置于所述第一面11与第二面12之间。即，第一反射部20以能够使与在光学机构10的第一面11反射而出射的增强现实用图像相应的图像光向第二反射部30反射而传递的方式配置于第一面11与第二面12之间的光学机构10的内部空间。

如图4所示，就第一反射部20而言，可以以使与增强现实用图像相应的图像光更集中于第二反射部30的方式将其表面形成为曲面。

此外，第一反射部20也可以形成为凹镜。

另一方面，如后述，第二反射部30的大小形成得小于作为人的一般的瞳孔的尺寸的8mm，更优选形成为4mm以下，因此优选第一反射部20的宽度方向的长度形成为与第二反射部30的大小相应，即，第一反射部20的宽度方向的长度形成为8mm以下，优选形成为4mm以下。

其中，第一反射部20的宽度方向指第一反射部20在第一面11与第二面12之间延伸的方向。

另一方面，就第一反射部20而言，为了使用户通过瞳孔50几乎无法识别第一反射部20，如图3和图4所示，优选形成为在瞳孔50侧正面观察时使厚度很薄。

当将第一反射部20构成为具有曲面的凹镜形态时，第一反射部20执行使由图像出射部40传递的图像光准直的准直器(collimator)的作用。即，第一反射部20执行通过使传递至第二反射部30的图像光准直来防止当从第二反射部30传递至用户的瞳孔50的图像重叠时每个针镜(pin mirror)制作的图像错位的功能。

此外，当将第一反射部20构成为具有宽度8mm以下的形状的镜时，第一反射部20执行作为使由图像出射部40传递的图像光中待传递至用户的瞳孔50的图像光反射而被传递至第二反射部30，并使在用户的瞳孔50中产生鬼像的杂光通过并过滤以便不被传递至第二反射部30的光圈(aperture)的功能。

图5和图6是用于说明第一反射部20的鬼像去除效果的图，图5是用于说明作为第一反射部20的宽度为8mm以上的情况的发生鬼像的状态的图，图6是示出作为第一反射部20的宽度为8mm以下的情况的不发生鬼像的状态的图。

如图5所示，当第一反射部20的宽度大于作为人的一般的瞳孔的大小的8mm时，从图像出射部40射出的图像光中在光学机构10的内面正常反射而达到第一反射部20的正常光经第二反射部30而被传递至瞳孔50，但从图像射出部40射出的图像光中因光学机构10的内面上的出射角的差异、反射次数的差异等而在瞳孔50中生成鬼像的非意图的杂光也在第一反射部20反射而被传递至第二反射部30。因此，如图5的左侧所示，用户会识别杂光引起的鬼像。

另一方面，参照图6，可以看出，由于第一反射部20的宽度小于作为人的一般的瞳孔的大小的8mm，因而杂光在第一反射部20中透过，因此，不会被传递至第二反射部30和瞳孔50，从而不发生鬼像，用户将仅识别正常图像。

另一方面，第二反射部30配置于所述光学机构10的内部，并且是通过使与从所述第一反射部20传递的增强现实用图像相应的图像光朝向用户的眼睛的瞳孔50反射而传递来为用户提供增强现实用图像的机构。

第二反射部30被配置为相对于光学机构10的表面具有倾斜角，以便能够将与从第一反射部20传递的增强现实用图像相应的图像光朝向用户的眼睛的瞳孔50反射而传递。

另一方面，如在背景技术中描述，第二反射部30形成为小于人的瞳孔的大小的尺寸，即8mm以下，优选4mm以下，以便通过加深景深来获得针孔效应。

即，第二反射部30形成为小于人的一般的瞳孔大小的尺寸，即，8mm以下，由此，可以使对通过第二反射部30入射至瞳孔的光的景深(Depth of Field)接近无限远，即，可以使景深非常深，因此，可以产生即使用户在凝视实际世界时改变对实际世界的焦距，增强现实用图像的焦点也会与此无关地始终被识别为对焦的针孔效应(pin hole effect)。

另一方面，可以形成有多个第二反射部30，此时，如图4所示，第二反射部30分别被配置为使与从第一反射部20传递的增强现实用图像相应的图像光不被其他第二反射部20遮挡。

在这种情况下，优选每个第二反射部30的大小形成为8mm以下。

此外，第二反射部30中的至少一部分的表面可以形成为曲面。

此外，第二反射部30中的至少一部分的倾斜角可以形成为与其他第二反射部30不同。

第二反射部30与第一反射部20一同提供能够显著减少鬼像和外部泄漏光的效果。即，如前文中在第一反射部20所描述，第一反射部20和第二反射部30在执行准直器(collimator)和组合器(combiner)的作用的同时，执行作为光圈(aperture)的作用。因此，具有通过阻挡从其他角度入射的光来去除杂光且不会散射外部的光的效果。

图7和图8示出利用图2至图6中描述的本发明的紧凑型增强现实用光学装置100实现为眼镜形式的增强现实提供装置200的一实施例。

如图7和图8所示，增强现实提供装置200形成为由以往的整体上固定透镜部210和所述透镜部210的框架部220构成的眼镜形式，其特征在于，将透镜部210实现为如前所述的紧凑型增强现实用光学装置100。

在这种情况下，透镜部210与如前所述的增强现实用光学装置100的光学机构10相应，并且第一反射部20和第二反射部30以如前所述的方式配置于透镜部210的内部。

框架部220可以被构成为包围透镜部210的周围的形态的以往为人所知的眼镜形式，图像出射部40可以如前所述地配置于框架部220的适当的位置。在这种情况下，例如可以在使用户能够将增强现实提供装置200挂在耳朵上的框架部220的腿部221的端部形成能够与智能手机或计算机等连接的连接端口，并通过形成在所述连接端口和框架部220的内部的电缆向图像射出部40传输与增强现实用图像相应的图像或视频数据，使得图像射出部40可以射出与增强现实用图像相应的图像光。

如前所述，根据本发明的紧凑型增强现实用光学装置100，由于可以显著减小装置的整体大小、厚度、体积，因此，如图7和图8所示，还可以显著减小增强现实提供装置200的大小、厚度和体积。因此，与现有技术相比，无需复杂的构造即可提供具有佩戴感突出的增强现实提供装置200。

另一方面，在如图7和图8所示的增强现实提供装置200中，针对有折射异常的用户，可以将具有预定折射率的视力矫正透镜配置于透镜部210的外侧或内侧中的至少一侧，或者将透镜单元210(光学机构10)本身的全部或一部分形成为具有预定折射率的视力矫正透镜，根据这样的构造，具有能够根据用户的视力来提供视力矫正效果的优点。

尽管上面参照本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但本发明不限于上述实施例，显然可以实施其他多种多样的修改和变形。

Claims

1.一种紧凑型增强现实用光学装置，其特征在于，包括：

光学机构，其使从实际事物射出的图像光的至少一部分朝向用户的眼睛的瞳孔透过，并使与从图像射出部射出的增强现实用图像相应的图像光在内面反射而传递至第一反射部；

第一反射部，其配置于所述光学机构的内部，并使与在所述光学机构的内面反射而传递的增强现实用图像相应的图像光反射而传递至第二反射部；以及

第二反射部，其配置于所述光学机构的内部，并使与从所述第一反射部传递的增强现实用图像相应的图像光朝向用户的眼睛的瞳孔反射而传递，由此为用户提供增强现实用图像，

所述光学机构具有从实际事物出射的图像光入射的第一面和与通过所述第二反射部传递的增强现实用图像相应的图像光射出的第二面，

所述光学机构通过所述第一面使与从图像射出部射出的增强现实用图像相应的图像光反射而传递至第一反射部，

所述第一反射部以朝向所述第二反射部反射与增强现实用图像相应的图像光的方式与所述第一面和第二面隔开地配置于所述第一面与第二面之间，

所述第二反射部与所述第一面和第二面隔开地配置在所述光学机构的内部，

所述第一反射部是宽度方向的长度为8mm以下的凹镜，

所述第二反射部的大小为8mm以下。

2.根据权利要求1所述的紧凑型增强现实用光学装置，其特征在于，

所述图像射出部被配置为以使与增强现实用图像相应的图像光能够在光学机构的第一面反射而被传递至第一反射部的方式相对于第一面倾斜。

3.根据权利要求1所述的紧凑型增强现实用光学装置，其特征在于，

所述第二反射部以能够使与从所述第一反射部传递的增强现实用图像相应的图像光朝向用户的眼睛的瞳孔反射而传递的方式被配置为相对于光学机构的表面具有倾斜角。

4.根据权利要求1所述的紧凑型增强现实用光学装置，其特征在于，

形成有多个所述第二反射部，

所述第二反射部分别被配置为防止与从所述第一反射部传递的增强现实用图像相应的图像光被其他第二反射部遮挡。

5.根据权利要求4所述的紧凑型增强现实用光学装置，其特征在于，

多个所述第二反射部各个的大小为8mm以下。

6.根据权利要求4所述的紧凑型增强现实用光学装置，其特征在于，

所述第二反射部中的至少一部分的表面形成为曲面。

7.根据权利要求6所述的紧凑型增强现实用光学装置，其特征在于，

所述第二反射部中的至少一部分的倾斜角与其他第二反射部的倾斜角不同。

8.根据权利要求1所述的紧凑型增强现实用光学装置，其特征在于，

所述光学机构是具有折射率的透镜。

9.一种增强现实提供装置，呈眼镜形式，并且包括：透镜部，其使从实际事物射出的图像光的至少一部分朝向用户的眼睛的瞳孔透过；以及框架部，其固定所述透镜部，所述增强现实提供装置的特征在于，

所述透镜部是根据权利要求1至8中任一项所述的紧凑型增强现实用光学装置。

10.根据权利要求9所述的增强现实提供装置，其特征在于，

在所述透镜部的外侧或内侧中的至少某一侧配置具有用于视力矫正的折射率的透镜，或者，所述透镜部的全部或一部分形成为具有折射率的视力矫正透镜。